Тиманюк, Животова. Биофизика. Учебник для студентов фармацевтических и медицинских вузов удк 577. 3(075. 8) Ббк 28. 901я73 т 41
 Скачать 4.28 Mb.
|
|
?, на которую приходится максимум поглощения света. Приближенно эту величину можно определить последующей формуле ? 2 где m — масса электрона c — скорость света l — длина одного элемента цепи сопряженных двойных связей h — постоянная Планка. Например, максимумы поглощения ненасыщенных жирных кислот приходятся на ? < 220 нм, а максимум поглощения ретиналя, имеющего 11 сопряженных двойных связей, сдвигается уже в видимую область. Примером электронных переходов ?-?* является изомеризация ретиналя под действием видимого света (см. § 14.2). Для того чтобы 11-цис-ретиналь превратился в полностью транс-ретиналь, необходим поворот вокруг двойной связи между мим атомами углерода (рис. 14.2.1), что без дополнительных затрат энергии невозможно. Поглощение кванта видимого света приводит к возбуждению молекулы и переходу электрона со связывающей ?-орбитали на разрыхляющую орбиталь, в результате чего связь разрывается и плоскости молекулы поворачиваются вокруг связи на 90 ° (рис. 16.4.1). Из этого возбужденного состояния молекула может перейти как обратно в цис-конформацию, таки в транс-кон- формацию. С другой стороны, квант света способен и полностью транс-ретиналь перевести в возбужденное состояние, в результате Рис. 16.4.1. Цис-транс-изомеризация ретиналя под действием света Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты чего некоторая часть молекул перейдет в 11-цис-конформацию. Поэтому при освещении устанавливается определенное соотношение между двумя указанными изомерами, причем преобладать будет тот из них, который при облучении данной длиной волны обладает меньшим значением коэффициента поглощения 16.5. ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ В зависимости от оказываемого действия на биологические объекты, в ультрафиолетовом диапазоне выделяют три зоны А-зо- на, или антирахитная ( ? = 400…315 нм вызывает синтез витамина В-зона, или эритемная ( ? = 315…280 нм вызывает образование эритемы и способствует синтезу пигмента меланина, который обладает защитным действием при ультрафиолетовом облучении, так как поглощает кванты света и одновременно является антиоксидантом С-зона, или бактерицидная ( ? = 280…200 нм, — вызывает мутации, канцерогенез, оказывает бактерицидный эффект; энергия излучения этого диапазона (3,1—6,8 эВ) достаточна для диссоциации и ионизации молекул. Ультрафиолетовое излучение с ? < 200 нм очень сильно поглощается, в том числе и воздухом, поэтому его действие на биологические объекты обычно не рассмат- ривается. Основным естественным источником ультрафиолетового излучения является Солнце. Солнечное излучение в этом диапазоне значительно поглощается озоновым слоем, причем поглощение тем выше, чем меньше длина волны. Поэтому поверхности Земли достигают в основном лучи зоны Аи длинноволновой области зоны В. Этот диапазон ультрафиолета называется экологическим. Деятельность человека за последние десятилетия привела к существенному уменьшению озонового слоя, что вызвало усиление интенсивности излучения в более коротковолновой области ультрафиолетового диапазона. Замечено, что уменьшение на 1 % поглощающих свойств озонового слоя приводит к увеличению случаев заболевания раком кожи на 2 Ультрафиолетовое излучение интенсивно поглощается живыми клетками и практически не проникает на глубину более чем мм. У человека ультрафиолетовые лучи поглощаются в кожных покровах. Поэтому непосредственный эффект ультрафиолетового облучения сказывается именно на клетках кожи Антиоксиданты — соединения, связывающие свободные радикалы 16.5. Воздействие ультрафиолетового излучения на молекулы Так как коэффициенты поглощения для ультрафиолета очень велики, то поглощенная доза D приблизительно равна мощности излучения W, попавшего на единицу площади кожного покрова за время t: D = Излучение различных длин волн одинакового потока приводит к различной степени повреждений. Зависимость фотобиоло- гического эффекта от длины волны излучения называется спектром действия. Спектр действия можно построить как для отдельных молекул, таки для клеток (рис. Согласно законам фотобиологии, фотоизменения в молекуле могут произойти только при поглощении ею кванта излучения. Поэтому спектр действия по своей форме совпадает со спектром поглощения тех молекул, которые отвечают заданный химический или физиологический ответ. Например, спектр инактивации вируса табачной мозаики полностью совпадает со спектром поглощения его информационной РНК (рис. 16.5.2). На основании изложенного можно сделать Рис. 16.5.1. Спектры действия ультрафиолетового излучения 1 — развитие эритемы кожи у человека 2 — повреждение растительной клетки 3 — инактивация ДНК Рис. 16.5.2. Инактивация вируса табачной мозаики (ВТМ): сплошная линия — спектр действия ультрафиолетового излучения пунктирная линия — спектр поглощения информационной РНК этого вируса Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты вывод о том, что инактивирующее действие ультрафиолета на этот вирус обусловлено именно повреждением нуклеиновых кислот. Биологический эффект ультрафиолета прежде всего определяется изменениями, которые он вызывает в структуре белков, нуклеиновых кислота также биологических мембран. Аминокислоты, входящие в состав белков, имеют максимумы поглощения в диапазоне длин волн ? = 180…190 нм за счет пептидных связей. Кроме того, ароматические аминокислоты фенилаланин, тирозин и триптофан имеют дополнительные максимумы поглощения и 285 нм соответственно) за счет ароматических групп. Так как облучение ультрафиолетом (как естественное, таки искусственное) чаще всего происходит при ? > 240 нм, то основной вклад в фотоповреждения белков вносят именно ароматические аминокислоты. Действие ультрафиолетового излучения на белковые молекулы способно привести к разрыву дисульфидных мостиков между по- липептидными цепями, образованию свободных радикалов. Особенно эти повреждения опасны, если затрагивают активный центр фермента, что может вызвать его инактивацию. Поглощение ультрафиолета нуклеиновыми кислотами обусловлено наличием в них пуриновых и пиримидиновых оснований = 260 нм. Из соединений, входящих в состав нуклеиновых кислот, более чувствительны к действию облучения пиримидиновые основания (цитозин, тимин и урацил, хотя фотоповреждения могут возникать ив пуриновых основаниях (аденине, гуанине), и в углеводных компонентах. Наиболее часто встречающимся фотоповреждением ДНК является образование димера из двух молекул тимина (рис. 16.5.3), 1 Свободные радикалы — атомы или молекулы, имеющие неспаренные электроны. Обладают высокой реакционной способностью, образуются входе биохимических реакций и действии ионизирующего излучения. Способны запускать цепные химические реакции, например реакции перекисного окисления липидов. Рис. 16.5.3. Образование циклобутанового димера тимин—тимин расположенных рядом водной цепи ДНК. Иногда димеры образуются между молекулами тимина из двух комплементарных цепей. Известно, что в нативной ДНК две молекулы тимина никогда не 16.5. Воздействие ультрафиолетового излучения на молекулы могут быть расположены напротив друг друга, так как они не- комплементарны. Однако под действием ультрафиолетового излучения возможно локальное расплетение двуспиральной структуры и перемещение комплементарных цепей относительно друг друга, в результате чего молекула тимина может оказаться напротив другой такой же молекулы. Тиминовый димер в этом случае стабилизирует возникшее повреждение. Образование тиминовых димеров может произойти при поглощении кванта света не только именно молекулой тимина, но и любым другим азотистым основанием, так как возможен триплет- триплетный перенос энергии от одного основания к другому в следующей последовательности цитозин, гуанин, аденин, тимин. Именно в этом направлении происходит уменьшение энергии триплетных уровней азотистых оснований. С меньшей вероятностью по сравнению с тиминовыми димерами, могут образовываться димеры цитозин-цитозин (Ц-Ц) и тимин-цитозин (Т-Ц). Образовавшиеся димеры тимина химически очень устойчивы и не разрушаются при повышении температуры или при действии химических веществ. Однако процесс мономеризации можно вызвать действием ультрафиолетового излучения другого диапазона, причем максимальный выход мономеров наблюдается при облучении в более коротковолновой области по сравнению с максимальным выходом димеров. Другими типами фотоповреждений ДНК являются фотогид- ратация (образование 6-окси-5-гидроксипроизводных; рис. сшивки ДНК-белок (ковалентное присоединение к молекулам цитозина или урацила по 5-му или 6-му атомам некоторых аминокислот, например, серина, цистина и др, сшивки ДНК–ДНК, одно- или дву- нитевые разрывы цепей ДНК, но их квантовый выход ниже, иногда на несколько порядков, по сравнению с выходом пиримидиновых димеров. Фотоповреждения нуклеиновых кислот могут привести к появлению мутаций, канцерогенезу и даже к гибели клетки. Часто эти повреждения препятствуют нормальному прохождению процессов транскрипции и репликации нуклеиновых кислот, что исключает возможность нормального деления клетки. Так, при по Квантовый выход реакции — отношения числа прореагировавших молекул к числу поглощенных квантов. Рис. 16.5.4. Фотогидратация урацила Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты явлении в ДНК димеров азотистых оснований невозможна репликация ДНК. Иногда фотоповреждения молекул могут быть вызваны не непосредственным поглощением излучения данной молекулой, а ее взаимодействием с другой молекулой, поглотившей квант света и перешедшей в возбужденное состояние. Соединения, повышающие чувствительность биологических объектов к свету, называются фото сенсибилизаторами, а вызванные ими реакции — фотосенсибилизированными. Примером фотосенсибилизированных реакций являются вызванные ультрафиолетовым облучением ( ? > 280 нм) разрывы дисульфидных мостиков в молекулах белков. В данном диапазоне ультрафиолета поглощают не молекулы цистина, а триптофан и тирозин. Поглотив квант света и перейдя в возбужденное состояние, эти аминокислоты способны диссоциироваться с образованием катион-радикала и сольватированного электрона RH* ? RH + • + Взаимодействие сольватированного электрона с дисульфидными связями может вызвать их разрыв. В этом примере фотосенсибилизированной реакцией является разрыв дисульфидных мостиков, а фотосенсибилизаторами — аминокислоты тирозин и триптофан. Повреждения мембранных липидов, вызванные ультрафиолетовым облучением, также являются фотосенсибилизированными реакциями, так как максимум поглощения липидов приходится на < 220 нм, а длина волны традиционного УФ-облучения превышает нм. Ультрафиолетовое облучение вызывает появление в мембране свободных радикалов Х (например, радикалов воды, аминокислот и др, которые способны вызывать цепные реакции перекисного окисления липидов + RH ? XH + R• (инициирование + O 2 ? RO 2 • (окисление радикала + RH ? RO 2 H + R• (продолжение цепи 2 2 R R RO R RO RO + ? ? ? + ? ? ? + ?? i i i i i i Р (обрыв цепи), где RH — липид; Р — стабильный продукт 16.5. Воздействие ультрафиолетового излучения на молекулы Эти реакции требуют присутствия кислорода в ткани и тормозятся антиоксидантами А (например витамином Е — токоферолом): АН + RO 2 i ? А i + ROOH 2 A RO A A + ?? ? + ? ? i i i i Разрушение липидов повышает ионную проницаемость мембраны, нарушает ее стабильность, препятствует нормальному функционированию мембранных компонентов. Фотосенсибилизаторы подразделяются на эндогенные, синтезируемые самим организмом, и экзогенные, попадающие в него извне. Известны четыре класса фотосенсибилизаторов: гиперици- ны, хлорофиллы, порфирины и псоралены (фурокумарины). При некоторых заболеваниях в клетках увеличивается содержание эндогенных фотосенсибилизаторов. Например, при нарушении гемопоэза (процесса кроветворения) повышается содержание про- топорфиринов, являющихся фотосенсибилизаторами окисления липидов и белков. Попадание на кожу экзогенных фотосенсибилизаторов и одновременное облучение способно вызвать ожоги и фотодермати- ты. Например, экстракты некоторых представителей семейств зонтичных, рутовых, бобовых содержат псоралены, которые являются фотосенсибилизаторами ДНК и способны спровоцировать фото- канцерогенез. Именно поэтому перед принятием солнечных ванн не рекомендуют пользоваться косметикой, наносить на кожу кремы, за исключением тех, которые обладают защитным противо- ультрафиолетовым действием. Нарушенные под действием ультрафиолета молекулярные структуры способны восстанавливаться с помощью так называемых репарационных систем клетки. Так, сначала из бактериальных клеток, а потоми из клеток человека был выделен фермент, обладающий фотореактивными свойствами. При его присоединении к димеру пиримидинового основания образуется хромофорная группа, поглощающая в видимом диапазоне. Попадание кванта света (максимум спектра действия приходится на 380—400 нм, в зависимости от вида организма, из которого был выделен фермент) на такой комплекс приводит к распаду димера и образованию двух молекул тимина 16.6. ТЕОРИЯ МИШЕНИ При количественном изучении фотоповреждений молекул и целых клеток широко используется теория мишени. В качестве мишени может выступать, например, активный центр фермента или участок ДНК, ответственный за синтез какого-либо жизненно важ- Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты 517 ного белка. В этом случае попадание всего лишь одного кванта света (одноударный механизм) в мишень вызывает с вероятностью Ф (квантовый выход реакции) полную инактивацию данной молекулы. Попадание кванта в другие участки молекулы, хотя и способно вызвать какие-либо ее химические превращения, нона ее биологической функции не отражается. Скорость инактивации молекул можно записать в следующем виде ?? ? 0 d ( ) d где n — число неповрежденных молекул в единице объема t время Ф — квантовый выход реакции I 0 — интенсивность падающего света I — интенсивность прошедшего света. Согласно закону Бугера—Ламберта—Бера, ? = 0 e где s — поперечное сечение поглощения, то есть некоторая площадь, при попадании в которую происходит поглощение фотона молекулой l — толщина раствора. Тогда формулу (16.6.1) можно переписать в виде ?? ? 0 d (1 e ) d snl Для растворов малых концентраций (1 — e –snl ) ? snl, тогда ?? 0 d d n I snl Разделим переменные в формуле (16.6.4) и проинтегрируем полученное выражение 0 0 d d n t n n I sl t n = ? где n 0 — начальное число молекул n — число молекул, оставшихся неповрежденными после облучения за время t. Получаем 0 ln n I tls В этом выражении I 0 t = D — доза облучения, s ? = ? — поперечное сечение инактивации молекулы, которое определяет как Зависимость поперечного сечения инактивации молекулы от длины волны также как и зависимость квантового выхода от длины волны, называется спектром действия 16.6. Теория мишени вероятность поглощения фотона молекулой, таки вероятность ее химического превращения в результате такого взаимодействия. Тогда в расчете на единицу толщины раствора выражение (можно переписать в виде ? 0 ln n D n , (или ? = 0 e D n Величину ? можно определить как тангенс угла наклона прямой ln (n 0 /n) = f(D) (рис. В реальных биологических системах не всегда фотоизменения молекул можно рассматривать по од- ноударному механизму кроме того, многие повреждения восстанавливаются с помощью репарационных систем клетки 16.7. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ Оптическое излучение широко используется при лечении иди- агностике ряда заболеваний. Например, тепловой эффект инфракрасного излучения ближней области ( ? = 0,76…2,5 мкм) используют для прогревания поверхностных слоев тела (на глубине около см. В качестве источника излучения используются специальные лампы. Терморегулирующая система организма для охлаждения нагретого участка усиливает кровообращение в нем, что и вызывает терапевтический эффект. Небольшие дозы ультрафиолетового облучения оказывают благоприятное действие на сердечно-сосудистую, эндокринную, нейрогуморальную, дыхательную системы. Однако молекулярный механизм такого воздействия ультрафиолета в большинстве случаев точно неизвестен. Комбинированное действие фотосенсибилизаторов псораленов и ультрафиолетового облучения А-зоны (так называемая ПУФА- терапия) широко используется, иногда как единственный эффективный метод, при лечении ряда кожных заболеваний, например псориаза, витилиго, некоторых форм облысения (гнездная пле- Рис. 16.6.1. Зависимость логарифма отношения исходного числа молекул к числу неповрежденных после облучения дозой D от величины этой дозы Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты 519 шивость). Однако ПУФА-терапия имеет ряд побочных эффектов, например, приводит к образованию эритемы, эдемы. Излучение гелий-неонового лазера ( ? = 632 нм) применяется для ускорения заживления ран. В хирургии используются лазерные скальпели, способные вызвать высокотемпературное разрушение ткани с одновременной коагуляцией белка. Такие операции протекают бескровно и широко практикуются при лечении отслоения сетчатки, глаукомы (лазером прокалываются микроскопические отверстия диаметром 50—100 мкм, что вызывает отток внутриглазной жидкости и, следовательно, понижение внутриглаз- ного давления). Фотосенсибилизатор гематопорфирин и его производные используют при лечении злокачественных опухолей, так как обнаружено, что эти соединения накапливаются исключительно в опухолевых клетках и отсутствуют в здоровых. Сенсибилизаторы повышают чувствительность опухоли к действию видимого света, облучение которым приводит к ее гибели. Данный метод фотохимиотерапии используют при лечении опухолей как кожи, таки внутренних органов. В последнем случае облучение проводится при помощи специальных световодов. Избирательное накапливание в опухолях ге- матопорфиринов используют и при диагностике онкологических заболеваний, так как люминесценция этих молекул позволяет определить размеры опухоли. Ультрафиолетовое излучение большой мощности оказывает бактерицидный эффект, что используется при стерилизации медицинских инструментов и помещений. В качестве источника излучения применяются специальные бактерицидные лампы. Некоторые вещества, например лекарственные препараты про- мазин, сульфаниламиды, прометазин и другие, в сочетании с ультрафиолетовым излучением вызывают фотоаллергические реакции. Поглощая ультрафиолет А-зоны, эти вещества связываются с белками, образуя антиген (рис. 16.7.1). При первом образовании та- Рис. 16.7.1. Фотоаллергическая реакция организма кого комплекса вещество — белок в результате иммунного ответа организма образуются сенсибилизированные лимфоциты, а при повторном — наблюдаются аллергические реакции и даже анафилактический шок 16.7. Оптическое излучение в медицине 520 § 16.8. ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ При изучении степени поражения тех или иных биологических объектов важно иметь количественное представление о физических характеристиках излучения, особенно его энергии. Ионизирующее излучение, прежде всего, характеризуется своей способностью ионизировать среду. Количественно эту характеристику отражает экспозиционная доза D . Экспозиционная доза излучения представляет собой энергетическую характеристику рентгеновского или гамма-излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха Единицей экспозиционной дозы служит кулон на килограмм (Кл/кг) — это экспозиционная доза рентгеновского или излучения, при которой сумма электрических зарядов q одного знака, образованных в массе m = 1 кг воздуха, равна 1 Кл. Чаще всего экспозиционная доза измеряется во внесистемных единицах рентгенах (1 Р = 2,58•10 –4 Кл/кг). Мощность экспозиционной дозы излучения равна Единицей мощности экспозиционной дозы является ампер на килограмм (А/кг). Используются также внесистемные единицы: рентген в секунду (Р/с), 1 Р/с = 2,58•10 –4 А/кг; рентген в минуту (Р/мин), 1 Р/мин = 4,30•10 –6 А/кг; рентген в час (Р/ч), 1 Р/ч = 7,17•10 –8 А/кг. Излучение может оказать какое-либо действие на вещество только в том случае, если произойдет поглощение этого излучения веществом. Поэтому важно знать не экспозиционную, а поглощенную дозу, равную отношению поглощенной энергии к массе облучаемого вещества: = E D m (16.8.3) Единицей измерения поглощенной дозы является грэй — доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия излучения 1 Дж (1 Гр = 1 Дж/кг) или внесистемная единица рад (1 рад = 10 –2 Дж/кг). 1 Аббревиатура от англ. Radiation Absorbed Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты Мощность поглощенной дозы излучения равна и измеряется в Гр/с или рад/с. Экспериментальному измерению поддается экспозиционная, а не поглощенная доза, однако между ними существует зависи- мость: D погл = kD экс , (16.8.5) где k — некоторый коэффициент, зависящий как от самого излучения, таки от облучаемого вещества. Действие ионизирующего излучения одинаковой энергии, но разного вида (например, ?-, ?- и излучения) оказывает различный биологический эффект, так как эти излучения различаются своей ионизирующей и проникающей способностью. В радиобиологии существуют понятия эквивалентных доз. Эквивалентная доза оценивается по биологическому воздействию. Она равна произведению поглощенной дозы D на коэффициент качества излучения, характеризующий относительную биологическую активность рассматриваемого излучения Коэффициент качества излучения показывает, во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или излучения, при одинаковой дозе — безразмерный коэффициент. Поэтому эквивалентная доза излучения имеет туже размерность, что и поглощенная доза излучения, но называется зивертом (Зв), 1 Зв эквивалентен Гр. Доза излучения, оказывающая такой же биологический эффект, как и доза в 1 Р рентгеновского или излучения, составляет 1 бэр (биологический эквивалент рентгена). Коэффициент К экспериментально определен для каждого вида излучения (табл. Иногда облучение биологического объекта производит- Т а блица Коэффициенты качества различных видов излучения Рентгеновское, ?- и ?-излучения 1 Тепловые нейтроны эВ) 3 Нейтроны (5 эВ) 7 Нейтроны (0,5 МэВ), протоны 10 ?-излучение 20 Вид излучения Коэффициент качества излучения К 16.8. Дозы ионизирующих излучений 522 ся источником, расположенным не снаружи, а внутри, например, при введении в опухолевую ткань радионуклидных игл (указанный метод используется в радиотерапии, радиоактивных изотопов. В этом случае дозы облучения рассчитываются по известным значениям активности изотопов и коэффициентам поглощения данной ткани 16.9. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОРГАНИЗМ Ионизация и возбуждение молекул, вызванные действием ионизирующей радиации, приводят к химическим изменениям в них, то есть к радиационным повреждениям. Если радиационное поражение молекулы обусловлено непосредственным попаданием в нее кванта, то говорят о прямом действии излучения если же взаимодействием с радиационными продуктами, то — о непрямом действии излучения. Поражения клеток вызываются в основном повреждениями молекул белков, нуклеиновых кислот, липидов, которые находятся вводной фазе. Так как количество молекул воды намного превышает количество растворенных в ней молекул, то радиационные повреждения биологических молекул чаще всего вызываются их взаимодействием с продуктами радиолиза воды, входе которого образуются сольватированные электроны и свободные радикалы: Н 2 О ? НО + е – Н 2 О + е Н 2 О – Н 2 О – ? ОН + НОН ОН + е – В нуклеиновых кислотах под действием ионизирующего излучения происходят изменения как в отдельных нуклеотидах (например, размыкание пиримидинового или имидазольного колец, дезаминирование аденина, гуанина и цитозина, окисление спиртовых групп и разрывы углерод-углеродных связей в дезоксирибозе, таки в спиральной структуре (одно- и двунитевые разрывы цепей ДНК, сшивки между нуклеотидами одной или разных цепей, сшивки ДНК — белок. Вызванные изменения в молекулах нуклеиновых кислот приводят к возникновению генных (изменение нуклеотидного состава отдельного гена) и хромосомных (изменение структуры хромосом) мутаций. Действие ионизирующего излучения на белки вызывает повреждение аминокислот, разрывы водородных, дисульфидных, поли- Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты пептидных связей и, как следствие, утрату их биологических функций. Эти нарушения могут быть вызваны как непосредственным попаданием кванта излучения, таки взаимодействием белка со свободными радикалами или другими продуктами радиолиза соседних молекул. Повреждения липидов в основном вызваны перекисным окислением ненасыщенных жирных кислот. Инициаторами данной реакции являются свободные радикалы воды или самих липидов. Вследствие цепного характера данной реакции поражается значительное число липидных молекул в результате попадания всего лишь одного кванта. Радиационные повреждения липидных молекул приводят к образованию альдегидов, кетонов, спиртов, атак- же сшивок между молекулами. В клетке существуют специальные репарационные системы, восстанавливающие поврежденные молекулы. Эти системы способны репарировать молекулы после повреждений, вызванных разными факторами как физической (ультрафиолетовое, облучение, таки химической (химические агенты) природы, потому что в большинстве случаев инициируемые ими повреждения сходны. В настоящее время известны репарационные системы для восстановления ДНК и мембран. Наиболее хорошо изученными являются системы, репарирующие одно- и двунитевые разрывы ДНК. Повреждения мембран устраняются путем замены поврежденных компонентов (липидов и белков. Обновление компонентов мембраны происходит ив процессе нормального функционирования клетки, но при облучении этот процесс ускоряется. Репарация других биологических соединений, в том числе и белков, не так важна, потому что такие молекулы, если они повреждены, могут вытесняться из метаболизма и заменяться другими. Репарация повреждений объясняет так называемый эффект фракционирования, который заключается в следующем. Допустим, что однократное облучение клеток определенной дозой вызывает %-ную их гибель (доза D 50 ). В тоже время, если облучение этой же дозой разделить на две полудозы с промежутком времени между ними ?t, то гибель клеток будет составлять менее 50 %, причем выживаемость будет тем выше, чем больше промежуток ?t. Дело в том, что при однократном облучении происходит суммирование и усиление радиоповреждений, а при фракционном облучении после первой дозы некоторые из возникших повреждений успевают восстановиться. Поэтому суммарные повреждения при однократном облучении выше, чем при фракционном. Репарационные системы неспособны устранить все нарушения. С другой стороны, иногда происходит ошибочная репарация молекул, которая приводит к их повреждениям 16.9. Воздействие ионизирующего излучения на организм Исследование процессов поражения многоклеточного организма наиболее затруднительно, так как клетки различных тканей обладают различной радиочувствительностью. Согласно правилу Бер- гонье—Трибондо, радиочувствительность клеток в ткани тем выше, чем больше их пролиферативная 1 активность и меньше степень дифференциации. Поэтому в организме человека в первую очередь поражаются стволовые клетки красного костного мозга и эпителия кишечника. Повреждения клетки неодинаковы в различные фазы ее клеточного цикла. Радиочувствительность клеток максимальна в конце фазы (пресинтетической) ив начале фазы (синтетической, или репликативной), так как возникшие в это время повреждения не успевают репарироваться. Радиобиологические эффекты могут проявляться как непосредственно после облучения, таки через некоторый промежуток времени месяцы, годы и даже поколения. Например, у человека с отдаленными последствиями облучения могут выступать процессы образования злокачественных опухолей, ослабление иммунитета, сокращение продолжительности жизни, рождение детей с патологиями. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА РАДИОПОВРЕЖДЕНИЙ Количественно степень поражения от радиационного облучения оценивается с помощью так называемых дозовых кривых зависимостей эффекта облучения от дозы излучения. Эффект облучения определяется по некоторой реакции облучаемого объекта, которая называется тест-реакцией (таковой может являться, например, выживаемость клеток, радиоустойчивость молекул и т. д.). Кривые доза — эффект чаще всего имеют экспоненциальную форму, что указывает на то, что даже при очень больших дозах сохраняются выжившие клетки или неповрежденные молекулы. Кривые удобно представлять в полулогарифмической системе координат, так как в этом случае зависимость эффекта от дозы представляет собой прямую. Допустим, что в качестве тест-реакции выступает отношение числа неповрежденных молекул (клеток) N к их общему числу Тогда уравнение зависимости доза — эффект имеет вид Пролиферация (от лат. proles — отпрыск, потомство и fero — несу) — увеличение числа клеток (или только геномов при полиплоидии) путем митоза. Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты 525 ? = 0 e где k — коэффициент радиочувствительности молекул (клеток — доза облучения. Для характеристики радиочувствительности молекул или клеток вводится значение дозы, при которой количество неповрежденных объектов уменьшается в е раз по сравнению с исходным, то есть сохраняется 37 % материала (D 37 ), или дозы, при которой сохраняется 50 % материала (D 50 или полулетальная доза). Попадание кванта излучения на данный объект является дискретными статистическим процессом (принцип попадания повреждение объекта вызывается попаданием кванта лишь в определенный его участок (принцип мишени пораженный объект является причиной повреждения других (принцип усилителя). Объяснением последнего принципа являются, например, случаи поражения ДНК, которые приводят к синтезу других молекул ДНК, содержащих эту же ошибку, и белковых молекул, неспособных выполнять необходимую биологическую функцию. Согласно принципу мишени, отношение числа непораженных клеток N к их общему числу N 0 , если поражение происходит по одноударному механизму, определяется уравнением: ? = 0 e VD N N , (16.10.2) где V — объем мишени D — доза облучения. Если же для проявления радиобиологического эффекта требуется попаданий в данную мишень (при этом n – 1 попадание эффекта не вызывает, то выживаемость клеток описывается следующим выражением 0 0 ( ) e ! k где k — число попаданий в мишень < Чаще всего гибель клетки вызывается поражением не одной, а нескольких мишеней. Допустим, Рис. 16.10.1. Зависимость выживаемости клеток от дозы в полулогарифмической системе координат в случае, когда гибель клетки определяется числом l поражаемых мишеней. Количественная оценка радиоповреждений что число этих мишеней равно l, и гибель клетки произойдет, если в каждую мишень попадет по крайней мере один квант. Тогда выживаемость клеток равна 1 1 e l VD N N ? = ? При больших дозах облучения ? ? 0 e VD N l N , (16.10.5) или после логарифмирования График этой зависимости (рис. 16.10.1) позволяет определить число поражаемых мишеней l. § 16.11. МОДИФИКАЦИЯ РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ Существуют вещества, усиливающие (радиосенсибилизаторы) и ослабляющие (радиопротекторы) радиобиологический эффект. Действие одних модификаторов проявляется до облучения, а других после. Первые из них называются модификаторами профилактического действия, а вторые — терапевтического. Наиболее изученными радиопротекторами являются вещества, обладающие антиоксидантными свойствами, то есть инактивиру- ющие свободные радикалы. На практике широко применяются в качестве радиопротекторов сульфгидрильные соединения цистеин, цистеамин, цистамин, глутатион. 3-Аминопропиламиноэтил- фосфотионовая кислота, являющаяся аналогом цистеамина, применяется в радиотерапии опухолей, так как обеспечивает защиту только здоровых клеток, ноне опухолевых. Многие радиопротекторы усиливают репарационные процессы в клетке или продлевают такое состояние клетки, в котором ее репарационные системы наиболее активны и эффективны. Действие радиосенсибилизаторов основано на их способности усиливать активность малоактивных свободных радикалов, ингибировать ферменты, в частности, обладающие репарационными Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты свойствами, инактивировать нативные радиопротекторы или конкурировать с теми из них, которые способны перехватить свободный радикала также наряде других механизмов. В медицинской практике широко используются сенсибилизаторы, избирательно увеличивающие чувствительность к облучению только опухолевых клеток, например, бутионинсульфокси- мин, диэтилмалеат (понижают содержание сульфгидрильных соединений, мизонидазол (снижает активность репарационных систем). Эффективность модификаторов (радиопротекторов или радио- сенсибилизаторов) оценивается по фактору изменения дозы К: = m D K D , (16.11.1) где D — доза излучения, обусловливающая некоторое проявление определенного биологического эффекта D m — доза, вызывающая такое же проявление биоэффекта, нов присутствии модификатора. Для радиопротекторов К < 1; для радиосенсибилизаторов К > К зависит от самой дозы, состояния клетки и ряда других факторов. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ Рентгеновское и излучение широко применяются в медицинской диагностике для интероскопии 1 организма. Наиболее известным из энтероскопических методов является рентгенодиагностика, которая подразделяется на рентгеноскопию (изображение рассматривается на люминесцирующем экране) и рентгенографию (изображение фиксируется на фотопленке. Для получения более яркого изображения требуется усиление интенсивности рентгеновского облучения, что отрицательно сказывается на здоровье пациента. Поэтому в рентгенологии применяется целый ряд технических средств для улучшения качества изображения при малых интенсивностях облучения. Для того чтобы исследуемый орган или группа органов была отчетливо видна на рентгенограмме, необходимо, чтобы его коэффициент поглощения рентгеновских лучей отличался от коэффициентов поглощения других тканей. Для диагностических целей Интероскопия (от лат. interior — внутри игр ц — смотреть) — совокупность методов, позволяющая исследовать внутреннюю структуру биологических объектов, не нарушая их целостности 16.12. Ионизирующее излучение в медицине обычно применяется излучением, для которого массовый коэффициент ослабления определяется по формуле = где k — коэффициент пропорциональности Z — заряд ядра вещества поглотителя. В последнее время получил широкое распространение метод компьютерной томографии, позволяющий с помощью просвечивания тонкими рентгеновскими лучами получать изображение нецелого объема ткани, а только ее тонких слоев толщиной 3..5 мм. Этот метод обладает значительно более высокой чувствительностью по сравнению с традиционными рентгенодиагностическими методами, так как позволяет определить различия в поглощении излучения тканью до 0,1 Изображение внутренних органов можно получать также, используя радионуклидный метод диагностики. Известно, что некоторые химические элементы и соединения обладают способностью избирательно накапливаться в каком-либо органе или ткани. Если в это соединение (радиофармпрепарат) включить радиоактивный изотоп и ввести пациенту, то, дождавшись распределения препарата в организме, можно с помощью специальных приборов (например сцинтиграфов) определить излучение изотопа в различных участках тела. Естественно, что в областях, где концентрация препарата больше, излучение будет сильнее. Для исследования, например, щитовидной железы пациенту вводят радиоактивные изотоп 123 I; печени — краску бенгал-роз, помеченную 131 I; костной ткани — фосфатный комплекс, меченный 99 Тс. Данный метод позволяет определить размеры и очертания органа, а по неоднородностям распределения введенных радиофарм- препаратов судить о ряде заболеваний, например циррозе печени, гепатите, остеопорозе, онкозаболеваниях, определять наличие и расположение метастаз. При разработке новых радиофармпрепаратов стремятся к тому, чтобы изотоп обладал как можно меньшим периодом полураспада во избежание лишнего облучения организма. Радиоизотопы используются также для определения ничтожных концентраций в крови некоторых веществ, например гормонов, когда обычные химические методы оказываются неэффективными. Суть данного метода, который называется радиоиммунологическим, в следующем. С помощью специальных методов иммунологии для определяемого вещества (антигена) получают антитела, способные связываться именно с ним. Далее в пробирке смешивают антитела, Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты антигены, помеченные каким-либо радиоактивным изотопом, и кровь пациента, предположительно содержащую эти антигены (немеченые). Антитела и антигены, связываясь друг с другом, образуют комплексы, которые отделяют центрифугированием. Чем выше была концентрация антигена в крови, тем больше антител свяжется с антигенами пациента и меньше — с мечеными антигенами. Если же антиген в крови полностью отсутствовал, то образуются комплексы только с мечеными антигенами. По радиоактивности осадка при известном объеме крови, взятой для анализа, определяют концентрацию антигена в крови. Радиоиммунологический метод позволяет диагностировать на ранних стадиях целый ряд заболеваний, следить за нормальным протеканием беременности и развитием плода, оказывает неоценимую помощь в научных исследованиях. Рентгено- и терапию широко используют для лечения онкологических заболеваний. В основе метода лежит тот факт, что наибольшей чувствительностью к облучению обладают активно делящиеся клетки. Поэтому действие ионизирующего излучения вызовет преимущественную гибель именно раковых клеток. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Задача 16.1. Телом массой m = 70 кг в течение времени t = 5 ч поглощена энергия E = 1 Дж. Определите поглощенную дозу и ее мощность в единицах СИ и во внесистемных единицах. Решение. Поглощенная доза определяется как 1 |