Необратимость действия ионизирующей радиации на организм. Биохимические изменения в облученной клетке. Хромосомные аберрации (перестройки) как проявление лучевого поражения клеток. Продвижение клетки по циклу, задержка деления под влиянием радиации.
· Вторая степень повреждения тканей излучением возникает при воздействии больших доз облучения, когда число погибших клеток настолько велико, что их места не могут быть замещены за счет регенерации окружающих клеток той же гистологической структуры. Так как все жизненные процессы протекают в водной среде, а живые ткани содержат по весу до 70-80% воды, возможность ионизации ее молекул под действием излучения приобретает важное биологическое значение и является причиной ряда изменений в клетках, развивающихся в результате воздействия энергии излучения на молекулы воды. Вероятность поражения тех или иных молекул определяется их размером: чем крупнее молекула, тем больше вероятность ее повреждения. Известно, что одиночные разрывы постоянно возникают в клетке и без всякой связи с облучением, просто вследствие тепловой нестабильности ДНК, а также в результате некоторых окислительных и ферментативных процессов. Разрыв межатомных связей в сахарно-фосфатном скелете ведет к нарушению непрерывности молекулы ДНК, что препятствует считыванию с нее генетической информации (если разрыв приходится на транскрибируемый участок генома), а также нормальной репликации ДНК и последующему распределению генетического материала между клетками.Разумеется на более высоких уровнях организации живого - тканевом, органном, системном, организменном, популяционном, видовом, биоценотическом, биосферном - вступают в свои права новые закономерности и ограничения в действии радиации.
Введение
Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием альфа - и бета-частиц и гамма-квантов.
Все виды ионизирующего излучения характеризуются способностью ионизировать или возбуждать атомы или молекулы облучаемых веществ и тем самым вызывать повышение их химической активности.
Вопрос об обратимости лучевых изменений для организма в целом и для отдельных его органов и систем решен, особенно для воздействия таких величин доз излучений, которые используются с целью лучевой терапии.
Принято считать, что действие ионизирующей радиации является необратимым процессом. Различают три степени необратимости лучевого повреждения: · Первая степень, наиболее легкая, развивающаяся при относительно небольших дозах облучения, носит название ложнообратимой. В таких случаях облученные ткани через некоторое время полностью восстанавливают свои функции, и каких-либо патологических изменений в них не обнаруживается. Действительно, в облученных тканях, после того как погибло определенное количество клеточных элементов, их места постепенно заполняются за счет дочерних клеток соседних неповрежденных элементов той же гистологической структуры, и, таким образом, функция ткани или органа в целом восстанавливается.
· Вторая степень повреждения тканей излучением возникает при воздействии больших доз облучения, когда число погибших клеток настолько велико, что их места не могут быть замещены за счет регенерации окружающих клеток той же гистологической структуры. Как и в случаях химического, термического и травматического повреждения тканей, постепенно происходит развитие соединительной ткани и на месте облучения образуется рубец, характер и размеры которого зависят от степени, площади и объема поврежденных тканей.
· Третья степень повреждения при наиболее тяжелых лучевых повреждениях, захватывающих относительно большие объемы тканей. Участки омертвевших тканей не могут быть восполнены даже за счет соединительнотканных элементов, и на таких местах образуются язвы, которые называются лучевые язвы.
Зависимость степени тяжести лучевого повреждения тканей от величины поглощенной дозы излучения закономерна лишь при сравнении биологического действия излучения одного вида. Было установлено, что степень тяжести лучевых повреждений при воздействии равных доз различных видов излучений может быть не одинаковой.
Неодинаковая степень тяжести лучевых повреждений, развивающихся при воздействии равных поглощенных доз некоторых видов ионизирующих излучений, называется относительной биологической эффективностью (ОБЭ).
Зависимость степени повреждения установлена также от распределения величины суммарной излучения во времени. Так, если облучение производится в течение короткого промежутка времени и более длительного при равных величинах дозы, то в первом случае степень повреждения будет более тяжелой, чем во втором в связи с тем, что регенеративные способности клетки не смогут в должной степени реализоваться. По той же причине степень лучевого повреждения будет меньше при облучении с перерывами, чем при непрерывном воздействии; увеличение промежутков между отдельными облучениями позволяет легче переносить воздействие.
Биохимические изменения в клетке
Различные виды ионизирующего излучения, в частности рентгеновы и гамма-лучи, могут вызывать ионизацию как молекул сложных органических и неорганических веществ, так и молекул растворителей, например воды. Так как все жизненные процессы протекают в водной среде, а живые ткани содержат по весу до 70-80% воды, возможность ионизации ее молекул под действием излучения приобретает важное биологическое значение и является причиной ряда изменений в клетках, развивающихся в результате воздействия энергии излучения на молекулы воды.
Также влияние излучения заключается в том, что энергия рентгеновых и гамма-лучей частично поглощается молекулами облучаемого вещества, которые приходят при этом в так называемое "возбужденное" состояние, то есть обладают большим запасом энергии. В результате этого создаются условия для протекания в облучаемой среде химических реакций, которые в обычных условиях протекают либо с очень незначительной скоростью, либо совсем не происходят. Таким образом, активирование молекул различных сложных химических соединений лучистой энергией может привести к глубоким изменениям химического характера, развивающимся в облученной клетке.
Образующиеся в тканях токсические продукты воздействуют, прежде всего, на различные биологически активные белковые соединения и отдельные, важные в функциональном отношении химические группы, входящие в состав молекулы белка - сульфгидрильные, карбоксильные, гидроксильные и другие. Особенно легко изменяются под влиянием окислителей сульфгидрильные группы SH, входящие в молекулу аминокислоты цистеина. Инактивирование сульфгидрильных групп цистеина, который в свою очередь входит в состав молекул различных ферментов, приводит к инактивации самих молекул ферментов. Следствием этого могут явиться серьезные нарушения обменных процессов в облученных тканях. Таким образом, казалось бы, небольшая степень ионизации, которая не может вызвать гибели клетки по размерам непосредственных первичных изменений, может привести к значительным сдвигам, если она затронула молекулу фермента.
При облучении клетки поражаются все ее структуры. Вероятность поражения тех или иных молекул определяется их размером: чем крупнее молекула, тем больше вероятность ее повреждения. Именно по этому в качестве основной мишени радиационного поражения клетки рассматривается дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).
В результате прямой ионизации самой молекулы ДНК происходит разрыв химических связей между атомами. Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете нарушает непрерывность нити ДНК. Если разорвана одна из нитей, то говорят об однонитевом или одиночном разрыве. Совпадение разрывов противоположных нитей ДНК в одной точке приводит к появлению двойных (двунитевых) разрывов. Известно, что одиночные разрывы постоянно возникают в клетке и без всякой связи с облучением, просто вследствие тепловой нестабильности ДНК, а также в результате некоторых окислительных и ферментативных процессов. Более того, одиночные разрывы даже необходимы: при репликации ДНК молекула должна быть расплетена на участке синтеза, для чего одна нить должна иметь возможность вращаться относительно другой, чего невозможно достичь без ее разрыва. Предполагается, что при облучении возникают не только одиночные разрывы, аналогичные возникающим спонтанно, но еще появляются "комплексные", при которых в скелете ДНК рядом находится сразу несколько разорванных связей. Такие разрывы репарируются хуже, чем возникающие в нормальных условиях.
Двойные разрывы как при случайном пространственном совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях ДНК, так и вследствие одномоментного повреждения обеих нитей при выделении в данном микрообъеме клетки большого количества энергии. Даже при действии редкоионизирующих излучений выделение энергии по объему клетки происходит не абсолютно равномерно, а дискретными порциями разной величины, так что в примерно равном объеме атомам может быть передано несколько электрон-вольт до нескольких сот электрон-вольт. При действии плотноионизирующих излучений общее число разорванных межатомных связей будет таким же, однако они будут менее равномерно распределены по длине молекулы ДНК. Общее число очагов поражения будет меньшим, зато "тяжесть" (концентрация разорванных межатомных связей на единицу микрообъема) каждого из них будет больше. Таким образом, при действии плотноионизирующих излучений число двойных разрывов на единицу дозы оказывается выше, чем при действии редкоионизирующих видов радиации. Так как одиночные разрывы репарируются гораздо лучше, чем двойные, тяжесть поражения клетки с увеличением доли двойных разрывов возрастает.
Разрыв межатомных связей в сахарно-фосфатном скелете ведет к нарушению непрерывности молекулы ДНК, что препятствует считыванию с нее генетической информации (если разрыв приходится на транскрибируемый участок генома), а также нормальной репликации ДНК и последующему распределению генетического материала между клетками. Разрыв скелета может сопровождаться разрывом связей в той части молекулы дезоксирибозы, которая не участвует в построении скелета ДНК. Такое повреждение рассматривается одновременно и как разрыв, и как повреждение нуклеотида. Повреждение основания и нуклеотиды подвергается дальнейшим химическим изменениям. Примером является окисление гуанина до 8-оксогуанина. Атака ДНК высокоактивными радикалами приводит к модификации оснований, например, присоединение радикала ОН к тимину превращает его в тимингликол.
Разрывы скелета ДНК частично восстанавливаются самостоятельно, частично с помощью системы ферментативной информации. Репарация не всегда заканчивается восстановлением исходной молекулы. Вместо воссоединения разорванной связи может возникнуть связь между свободными концами двух противоположных нитей молекулы ДНК, между свободными концами в местах разных разрывов одной и той же нити ДНК и даже между свободными концами разных молекул ДНК. Такое разнообразие новых связей является следствием того, что нити ДНК в ядре упакованы весьма плотно. Неправильное воссоединение разрывов приводит к возникновению хромосомных перестроек. Разрыв молекулы ДНК и окружающих ее белков при неправильном воссоединении приводит к образованию ДНК-белковых сшивок.
Неверная репликация оснований, а также их химическая модификация ведет к еще одному дефекту молекулы - появлению так называемых неспаренных оснований. В молекуле ДНК в норме существует только две пары комплементарных оснований - аденин - тимин и гуанин - цитозин. Замена одного из оснований каждой пары ведет к изменению генетического кода. Во время репликации ДНК в синтезируемой цепи вместо комплементарного гуанину цитозина напротив 8-оксогуанина будет выставлен аденин. При синтезе информационной РНК неверное основание приведет к неправильной кодировке и последующему включению в белковую молекулу ошибочного аминокислотного остатка. Помимо этого, некомплементарное основание меняет геометрию молекулы ДНК.
Некомплементарные основания образуются не только в результате облучения, но возникают и спонтанно как дефекты сложного процесса репликации ДНК. Поэтому системы репарации ДНК всегда активно работают в клетке, вне какой-либо связи с воздействием ионизирующей радиации. Однако облучение увеличивает как общее количество дефектов, так и создает поражения, которые по количеству на единицу длины молекулы превосходят повреждения, возникающие в нормальных условиях.
При воздействии редкоионизирующего излучения в дозе 2 Гр, вызывающем гибель от 10 до 90% клеток разных тканей человека, в ДНК одной клетки образуется около 2000 однонитевых и 80 двунитевых разрывов, повреждается 1000 оснований и формируется 300 сшивок с белком. Именно эти поражения и лежат в основе радиационной гибели клетки, длительного нарушения эффективности деления ее потомков и злокачественного перерождения, а в случае воздействия на половые клетки - и генетических последствий облучения родителей для потомства.
В основе развития лучевого повреждения лежат особые свойства поражающего действия излучений. Это можно представить следующим образом: ядерные излучения проникают в глубину клетки и реализуют повреждение за счет инактивации особенно важных для жизнедеятельности клетки биохимических систем. Следовательно, энергия ядерных излучений избирательно воздействует на определенные системы и не распределяется равномерно на весь объем клетки.
Путем многочисленных экспериментальных исследований было установлено, что чаще всего лучевое поражение наступает при инактивации сульфгидрильных групп ферментов, которые участвуют в синтезе нуклеиновых кислот и обуславливают процессы ядерного деления. В результате процесс деления либо прекращается, либо происходит патологическое изменение его с возникновением неполноценных дочерних клеток. В тех случаях, когда лучевая ионизация не затронула важные биохимические соединения, повреждение не реализуется и жизнедеятельность клетки практически не нарушается. Предполагают, что реализация повреждающего действия происходит тогда, когда лучевой ионизации и связанным с ней химическим изменениям подвергается 0,1-1 миллиард молекул.
Влияние радиоактивности на клетку
При воздействии смертельных доз радиации клетка под микроскопом выглядит в общих чертах так же, как если бы она была убита высокой температурой или сильным ядом: нарушается целостность и гладкость ее оболочки (плазматической мембраны), мембран ядра и других клеточных органелл, ядро уплотняется, разрывается или, наоборот, разжижается. Гибель клетки происходит непосредственно после облучения или через некоторый промежуток времени, который определяется как латентный период. Продолжительность латентного периода может быть различной - от нескольких минут до нескольких дней, что зависит от двух факторов: от величины поглощенной дозы излучения и от степени радиочувствительности клетки. При меньших дозах радиации клетка остается живой, однако в ее органеллах происходят более или менее существенные изменения, прежде всего в клеточном ядре.
Со времени зарождения Земли и по настоящее время живые системы вынуждены постоянно противостоять вредным и опасным для них воздействиям среды обитания, среди которых излучения естественного радиационного фона всегда занимали важное место. Они научились защищать от повреждений свой наследственный механизм, прежде всего - структуру молекул ДНК. В конденсированном состоянии молекула ДНК наиболее устойчива к действию любых повреждающих агентов, в том числе радиации. Однако в процессе декодирования двойная спираль ДНК частично расплетается и активно функционирует. В этом состоянии она наиболее чувствительна к воздействию радиации, чем ДНК покоящаяся. Вторым критическим моментом в жизни клетки, уязвимым для радиации, является процесс самоудвоения (репликация) ДНК.
В каждой живой системе последовательно сменяются клеточные поколения. Жизненный цикл, период от одного деления до другого, подразделяется на четыре фазы: митоз (М), пресинтетический период (G1), период синтеза ДНК (S), постсинтетический период (G2). Весь жизненный цикл имеет продолжительность 10-30 часов.
По времени митоз занимает 2-5% общей продолжительности клеточного цикла, или 0,5-1 час. Значение митоза в жизни облученной клетки состоит в том, что деятельность систем внутриклеточного восстановления к началу митоза полностью прекращается и все повреждения ДНК, оставшиеся нерепарированными, в процессе митоза фиксируются и либо приводят клетку к гибели, либо сохраняются в наследственном механизме клеток-потомков, снижая их жизнеспособность и служа материалом для формирования мутаций.
G1-фаза длиться 8-12 часов, на протяжении этого периода наиболее полноценно функционируют системы внутриклеточной репарации. S-фаза длится 9-12 часов, в этот период репаративные системы либо не работают, либо функционируют слабо. G2-фаза длится 4-6 часов, в этот период функционируют системы пострепликативной репарации, эффективность которых ниже, чем в G1-фазе. В итоге большинство клеток наиболее чувствительны к радиации в конце G1-фазы, перед началом синтеза ДНК, и пред вступлением в митоз, в самом конце G2-фазы.
Наиболее универсальной реакцией клеток на воздействие ионизирующей радиации в разных дозах является временная остановка деления, или радиационный блок митозов. Длительность задержки строго пропорциональна дозе радиации - примерно 1 час на каждый 1 Гр - и проявляется у всех клеток облученной популяции независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем или погибнет. С увеличением дозы радиации возрастает не доля реагирующих клеток, а время задержки митоза каждой из облученных клеток. Время задержки в значительной степени зависит также от стадии клеточного цикла. При облучении в S и G2-фазах оно максимальное, в митозе - минимальное: начав митоз, практически все клетки завершают его без задержки.
Продвижение клетки по циклу определяется активацией последовательно сменяющих друг друга циклинзависимых киназ - ферментов, фосфорилирующих аминокислотные остатки в белках и тем самым меняющих их конформацию и энзиматическую активность. Каждая циклинзависимая киназа состоит из собственно каталитической единицы и регуляторной субъединицы - одного из циклинов. Для перехода от одной стадии цикла к другой необходимо образование нового комплекса каталитической единицы с одним из циклинов, а также фосфорилирование определенных аминокислотных остатков в ее молекуле. Негативная регуляция продвижения клетки по фазам цикла осуществляется ингибиторами циклинзависимых киназ.
В клеточном цикле имеется несколько так называемых сверочных точек, "чекпойнтов", при прохождении которых ферментативные системы проверяют ДНК на повреждения, и в случае их выявления активируют ингибиторы циклинзависимых киназ, что замедляет переход клеток из одной фазы в другую. Вероятно, замедление перехода дает больше возможности для репарации повреждений ДНК, возникающих в процессе нормальной жизнедеятельности клетки. При нанесении клетке значительного количества повреждений эта система также приводит к задержке прохождения цикла, но, по-видимому, не может обеспечить необходимый уровень восстановления. Блок в прохождении цикла нагляднее всего проявляется в виде задержки наступления первого постлучевого митоза. Однако при одной и той же дозе облучения клетки с длительной задержкой продвижения по циклу (более поздним наступлением митоза) впоследствии погибают с большей вероятностью, чем клетки с меньшей задержкой.
Эта реакция имеет большое приспособительное значение: обеспечивая увеличение длительности интерфазы, она создает максимально благоприятные условия для работы ферментных систем репарации, для полного устранения возникших повреждений до наступления митоза.
Обратимую реакцию задержки деления следует отличать от полного прекращения митозов, наступающего после воздействия радиации в больших дозах. В этих условиях клетка продолжает жить длительное время, достигает неестественно большого размера, в ней нередко продолжается синтез ДНК, число хромосомных наборов возрастает, но разделиться клетка не может (вероятно, изза необратимого повреждения аппарата деления) и, в конечном счете, гибнет. радиоактивность клетка хромосомная аберрация
Хромосомные аберрации (перестройки) являются классическим проявлением лучевого поражения клеток. Их количество соответствует дозе облучения. Появление аберраций отражает образование разрывов молекулы ДНК и дефекты ее репарации. Разрывы приводят к фрагментации хромосомы. Под фрагментом понимают ту часть хромосомы, которая не связана с центромерой. Центромера - это структура, расположенная в середине хромосомы, за которую она притягивается к полюсу деления. Фрагмент хромосомы, не связанный с центромерой, не притягивается к полюсу деления и распределяется между дочерними клетками случайным образом. Фрагменты хорошо видны во время метафазы и особенно анафазы, когда все хромосомы притянуты нитями веретена к полюсам деления, а фрагменты остаются по середине клетки. После завершения деления клетки, то есть в интерфазе, фрагменты появляются как микроядра - участки конденсированной ДНК, в то время как почти вся остальная ДНК переходит в деконденсированное состояние.
Неверное воссоединение разрывов, когда при репарации происходит соединение участков ДНК из разных мест одной и той же хромосомы или разных хромосом, во время митоза проявляется в виде хромосомных перестроек.
Возникающие в клетке аберрации подразделяют на хромосомные и хроматидные. Хромосомные аберрации возникают в случае, когда клетка подвергается облучению в предсинтетической стадии цикла или в S-период, но до начала удвоения определенного участка своего генома. При неверном воссоединении оторванных друг от друга фрагментов ДНК такое нарушение воспроизводится во время репликации. Итогом является образование дицентриков - хромосом, имеющих две центромеры, что может сопровождаться появлением ацентрических фрагментов, хорошо видных при сравнении пластинок облученных и необлученных клеток.
Хроматидные аберрации возникают в клетке, облученной уже после завершения репликации всей ДНК или того ее участка, разрыв которого и приведет к формированию аберрации. Разрыв одной из хроматид проявляется в виде ее укорочения и образования ацентрического фрагмента, который будет виден при мета - или анафазном анализе. Разрыв обеих хроматид может проявиться различным образом - образованием двух фрагментов, их слиянием в один (принято говорить о "липкости" концов разорванных хроматид и хромосом, что способствует образованию различных видов перестроек, например, внутрихромосомных обменов) или соединением сестринских хроматид. Кольцевые хромосомы появляются в результате внутриплечевого обмена, происходящего на фоне так называемой интерстициальной делеции (вырезания участка хромосомы внутри плеча с последующим соединением концов интерстициального фрагмента).
В анафазе центромера хромосомы разделяется на две части, которые растягиваются веретеном деления к полюсам клетки. В случае связи хроматид "конец в конец" они вытягиваются между полюсами клетки, образуя "мост".
Аберрации, сопровождающиеся образованием ацентрических фрагментов и дицентриков, получили название нестабильных, так как приводят к гибели самой облученной клетки или ее ближайших потомков изза невозможности равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками. Перестройки, сопровождающиеся только перемещением участков пораженных хромосом, когда весь генетический материал остается связанным с центромерой и может распределяться между дочерними клетками, относят к стабильным перестройкам, так как они могут передаваться в ряду клеточных поколений, сохраняясь в организации, когда участок генома перемещается в новое для него место, но продолжает функционировать. Примером являются транслокации, когда участок генома перемещается в новое место, но продолжает функционировать.
Из ацентрических фрагментов хромосом, которые изза отсутствия центромер не были распределены по ядрам дочерних клеток и остались в цитоплазме, образуются так называемые микроядра. Они представляют собой глыбки хроматина, располагающиеся в цитоплазме интерфазой клетки. Количество микроядер на клетку также как хромосомные аберрации используется для оценки поглощенных доз при облучении клетки.
Вывод
Клетки - основные структурные элементы организма, в частности млекопитающих и человека. Разумеется на более высоких уровнях организации живого - тканевом, органном, системном, организменном, популяционном, видовом, биоценотическом, биосферном - вступают в свои права новые закономерности и ограничения в действии радиации. Однако основные события происходят на уровне клеток - атомов животного, точно так же, как в неживой природе главная роль принадлежит взаимодействию радиации с атомами и молекулами вещества. Поэтому, анализируя другие закономерности биологического действия ядерных излучений, мы будем постоянно возвращаться к клеточному уровню.
Список литературы
1. Зубовский Г.А., Соскин А.М. Учебное пособие по медицинской радиологии - Москва: "Медицина", 1973, 264с.
