ки нау е Биологическое действие
advertisement
Биологические науки 8 Биологическое действие ионизирующих излучений Пестовский Ю.С. Пестовский Ю.С. к.х.н., ведущий специалист ООО «Эколит», г. Москва Ионизирующие излучения (ИИ) оказывают мощное воздействие на биосферу на протяжении всей естественной истории Земли. Они во многом определили зарождение и развитие живой материи. Однако осознано это было естествоиспытателями лишь на рубеже ХІХ и ХХ вв. благодаря блестящим успехам физики и химии. В этот период были описаны основные типы ИИ, изучен характер их взаимодействия с веществом. В распоряжении биологов оказались различные источники ИИ, позволяющие экспериментально исследовать действие радиации на живые организмы. Открытия, сделанные в первые же годы, оказались необыкновенно впечатляющими – ни один живой организм, ни одна биологическая функция не оказались индифферентными к радиационному воздействию. В результате облучения изменялись структура и функция макромолекул, угнеталось клеточное деление, рост и развитие организмов, гибли вирусы, клетки и многоклеточные организмы, возникали мутации... [1,2] Это были только первые шаги на пути познания роли ИИ в биосфере. Сбывались пророческие слова В.И. Вернадского: «Из невидимых излучений нам известны пока немногие. Мы едва начинаем понимать их разнообразие, сознавать отрывочность и неполноту наших представлений об окружающем и проникающем в нас в биосфере мире излучений, об их основном, с трудом постижимом уму, привыкшему к иным картинам мироздания, значении в окружающих нас процессах…» Современная биофизика относит к числу своих важнейших задач исследования, посвященные выяснению механизмов биологического действия различных видов излучений; ИИ составляют узкий участок электромагнитного спектра. Выяснением механизмов биологического действия ИИ занимается специальная область биофизики – радиационная биофизика. Изучение биологического действия ионизирующей радиации – комплексная проблема. Она требует объединенных усилий физиков, химиков, биофизиков, молекулярных биологов, представителей классических биологических направлений. Физические исследования позволили понять природу начальных пусковых процессов лучевого поражения, химические методы анализа раскрыли характер структурных повреждений молекул; биохимики, цитологи, физиологи выявили конечные этапы биологической реакции на облучение [3-5]. Нерешенной остается центральная проблема радиационной биологии – выяснение механизма, приводящего к реализации немногочисленных начальных повреждений структурных компонентов живых систем до видимых конечных эффектов облучения, таких как изменение метаболизма, возникновение стойких наследственных дефектов, гибели организма и многих других. Решение этой задачи требует углубленного анализа процессов, происходящих в живой системе на каждом этапе «размена энергии» излучения, описания этих этапов в терминах молекулярных изменений и создания картины, охватывающей всю последовательность физико-химических процессов лучевого поражения [6,7]. Количественные гипотезы механизма биологического действия ионизирующих излучений Классический формализм – теория мишени и принцип попадания. Камень преткновения на пути разгадки основного радиобиологи­ ческого парадокса состоит в необходимости правильного истолкования несоответствия между ничтожным количеством поглощенной энергии излу­чения и экстремальным биологическим эффектом. Радиобиологический эф­фект определяется не только и даже не столько общим количеством Биологические науки пог­лощенной энергии излучения, сколько формой ее передачи – в виде узколокальных процессов размена в микрообъемах [8]. При объяснении радиобиоло­гического парадокса были сформулированы два положения, лежащие в основе наиболее ранних (20‑е гг. XX в.) фундаментальных теорети­ческих представлений в радиобиологии: • принцип попаданий, характеризует особенности действующего агента – дискретность поглощения энергии, • принцип мишени, учитывает особенность облучаемого объекта – клет­ки – ее высокую гетерогенность в физическом и функциональном отноше­ нии (а, следовательно, различие в ответе на одно и то же попадание). Принцип попаданий и основанная на нем теория мишени получили свое развитие в трудах Д.А. Кроузера, Н.В. Тимофеева-Ресовского, К. Циммера, Д.Э. Ли и др. [9]. Однако использование основных положений этой теории ограничива­ется строго определенной областью – анализом самых первичных элемен­тарных радиационных событий. Систему построения, развитую для коли­чественной характеристики первичных механизмов радиобиологического эффекта, назвали теорией мишени, а прохождение ионизирующей частицы или фотона через данный объем – попаданием. В зависимости от числа попаданий, необходимых для поражения, различают одно-, двух- или многоударные объекты или реакции, причем учитываются попадания в одну мишень или в разные мишени, но функционально взаимосвязанные. Критерием достоинства теоретических представлений о механизме биологического действия ИИ является достаточная полнота объяснения основных экспериментальных данных. В основе теории попаданий лежала гениальная догадка о том, что характерные зависимости доза-зффект могут быть отражением квантованного характера взаимодействия излуче­ния с веществом. Случайность этих событий принималась во внимание, но ее роль все же недостаточно учитывалась. Таким образом, по форме кривых доза-эффект рассчитывались размеры и число мишеней, поражение которых вызывает регистрируемую реакцию. Конечное проявление конк­ретной лучевой реакции рассматривается здесь как следствие попадания (или попаданий) в одну (или несколько) определенную мишень. Следует иметь в виду, что возможность строгого применения тео­рии мишени уже в самом начале была ограничена ее основоположниками областью анализа одноударных эффектов. Интерпретация конкретных мно­гоударных кривых с этих позиций затруднительна. Позднее потребовалось расширить и само понятие попадания, т.к. стало очевидным, что первичные повреждения элементарных клеточных структур могут вызываться не только непосредственно ионизацией мак­ромолекулы, но и возбуждением и, что самое главное, опосредован­но, химически активными продуктами радиолиза окружающей среды [10]. Кроме того, вследствие обнаружения миграции энергии по макромолеку­ле, даже при непосредственных формах взаимодействия, реализация пов­реждения может происходить далеко от места первоначального «попада­ния» [11]. Это обусловило появление в конце 60-х гг. XX в. новой количест­венной гипотезы – стохастического действия излучений, призванной, согласно определению ее авторов О. Хуга и А.М. Келлерера, изложить теорию попаданий на основе стохастического принципа. Стохастическая гипотеза. Эта гипотеза рассматривает любой биологический объект, в част­ности клетку, как лабильную динамическую систему, поВсероссийский журнал научных публикаций № 5(20) 2013 стоянно находящуюся в состоянии перехода из одного состояния в другое. Вследствие крайней сложности системы любой такой переход сопровождается и свя­зан с множеством комплексных и элементарных сопряженных реакций от­дельных клеточных органелл и макромолекул. Совершенно естественно, что в процессе жизнедеятельности благодаря влиянию самых разнообраз­ных, не подлежащих учету факторов и малейших неопределенностей исходного состояния, возникает вероятность «отказов» в элементарных звеньях, а вследствие этого и (или) независимо от них – «крушения» всей системы. Поэтому любое критическое событие, например митоз или гибель клетки, можно предсказать лишь с известной вероятностью. Зная это и стремясь достигнуть желательной степени точности, обычно опе­рируют средними значениями. На биологическую стохастичность первого порядка при облучении объекта накладывается стохастичность второго порядка вследствие слу­ чайного характера взаимодействия излучения с веществом, что резко увеличивает вероятность «крушений» системы, происходящих со значи­тельно меньшей частотой и в необлученном контроле. Особенностями стохастической гипотезы являются: • эта гипотеза учитывает как физиологические, так и индуцированные излучением процессы; • эта гипотеза стремится описать кинетику индуцированных облучением изменений в динамическом аспекте. Таким образом, в соответствии с основными исходными позициями стохастическая концепция предлагает простую, но более «биологи­ческую»’ интерпретацию кривых доза-эффект по сравнению с их объясне­нием с позиций теории попадания, хотя ее основная мысль, что эти кривые определяются в основном случайной природой абсорбции энергии, остается незыблемой. Вероятностная модель радиационного поражения клетки. Анализ количественных закономерностей различных реакций дрожже­вых клеток на облучение показал, что ни классические модели, осно­ ванные на принципе попадания, ни концепция биологической стохастичности не способны объяснить всю совокупность полученных эксперимен­тальных данных. Дополнив принцип попадания предположением о вероят­ ностном характере проявления повреждений, Ю.Г. Капульцевич предложил модель радиационного поражения клетки, названную им вероятностной. Согласно этой модели разные клетки, подвергнутые облучению в одной и той же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания, но в отличие от классических представлений и потенциальные и реализованные повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы. Реализованные повреждения (или индуцированные ими изменения) наследуются при делении клеток с некоторой вероят­ ностью, зависящей от числа этих повреждений, приводят к неосуществлению клеточного деления. При этом вероятность проявления поврежде­ния может зависеть как от биологических (генетических) особенностей клеток, так и от условий их культивирования, увеличиваясь при ухуд­шении этих условий. Вегетативное размножение облученных клеток согласно этой модели – случайный процесс «рождения и гибели», приводящий к появлению нежизнеспособных клеток в отдельных размножающихся клонах (т.е. наблю­дающейся в эксперименте частичной инактивации): дело случая, образу­ет ли данная облученная клетка макроколонию или погибнет после того или иного числа делений. Таким образом, формально вероятностная модель, явля9 ясь как бы синтезом принципа попадания и стохастической концепции, используя сохранившие значение основные положения первого, дополняет последнюю, расширяя диапазон явлений, которые могут быть интерпретированы с позиций биологической стохастичности. Описывая не только качест­ венно, но и количественно (с помощью специальной системы уравнений) различные проявления нарушений репродуктивной способности клеток, вероятностная модель выгодно отличается от классических схем тем, что позволяет предсказать наблюдаемое многообразие радиобиологи­ческих эффектов на основе минимума исходных предположений. Процесс радиационного поражения клетки Ю.Г. Капульцевич предла­гает формально разделить на три этапа: • осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения; • реализация потенциальных повреждений; • различные вторичные нарушения нормального протекания внутрикле­точных процессов, вызываемые реализацией повреждения. Однако ни сама эта модель, ни производимый с ее помощью анализ реакций клеток на облучение не позволяют выявить природу повреждений, лежащих в основе этих реакций. Кроме того, сделанные выводы справедливы для изученных эффектов только применительно к дрожжевым клеткам. Качественные гипотезы механизма биологического действия ионизирующих излучений Характерная черта качественных гипотез состоит в том, что они придают определяющее значение в первичных процессах лучевого пораже­ ния различным высокореакционноспособным продуктам, образующимся в биосубстрате вслед за поглощением энергии излучения, инициирующем множественные реакции повреждающего типа. Основной радиобиологи­ ческий парадокс с позиций качественных гипотез объясняется наличием различных биофизических и биохимических механизмов усиления первич­ных элементарных процессов размена энергии излучения. Гипотеза первичных радиотоксинов и цепных реакций Еще в 50-х гг. XX в. А.С. Мочалиной, Ю.Б. Кудряшовым в лабора­тории Б.Н. Тарусова и другими исследователями было обнаружено, что водно-солевые вытяжки из печени облученных животных вызывают гемо­лиз. Было высказано предположение о том, что под влиянием облучения в печени образуется “гемолитический фактор”. В результате его иден­тификации установили липидную природу образующегося цитотоксического агента, названного липидным радиотоксином (ЛРТ). Оказалось, что ЛРТ обнаруживается уже в первые часы после облучения не только в печени, но и в тонкой кишке, семенниках, почках, желудке, в крови и других органах животных, а также в растениях и микроорганизмах. ЛРТ представляет собой лабильный комплекс продуктов окисления ненасыщенных жирных кислот: гидроперекисей, эпоксидов. альдегидов и кетонов. Было показано, что ЛРТ вызывает не только гемолиз, но и другие реак­ции, характерные для лучевого поражения: торможение клеточного деле­ния, повреждение хромосомного аппарата некоторых объектов и др. В связи с этим ЛРТ был назван «естественным радиомиметиком», т. е., агентом, имитирующим биологическое действие ионизирующих излучений. Гипотеза первичных радиотоксинов базируется на выдвинутой Б.Н. Тарусовым и Н.М. Эмануэлем концепции решающей роли в начальных про­цессах лучевого поражения цепных окислительных реакций свободно-радикального типа, наиболее подходящим субстратом для которых являются липиды. 10 Так как липиды являются структурными элементами клеточных мембран, то их поражение приводит к нарушению регуляции химизма живой клетки вплоть до уровня, приводящего к ее гибели. Возникновению цепных реакций согласно этой концепции способствует вызываемое облучением разрушение или ингибирование природных антиокислительных (антиоксидантных) систем; в клетках необлученных организмов они предох­раняют липиды от самопроизвольного окисления. В рамках этой концеп­ции к ЛРТ следует отнести продукты окисления ненасыщенных высших жирных кислот, всегда присутствующие в тканях. Под влиянием облучения содержание таких кислот лишь увеличивается вследствие поражения антиоксидантов, что способствует развитию самоускоряющихся окислитель­ных реакций радикального типа. Кроме того, радикалам ЛРТ отводится роль своеобразного медиатора радиационного окисления других важных органических макромолекул клетки. Согласно точке зрения авторов дан­ной гипотезы в этом и состоит участие ЛРТ в возникновении и развитии первичных механизмов лучевого поражения. Анализ современных экспериментальных данных не дает оснований для признания концепции ЛРТ и цепных реакций в качестве универсаль­ ной теории биологического действия ионизирующих излучений. Согласно последним представ­ лениям, ЛРТ отводится роль создания «эндогенного фона радиоре­зистентности», т. к. совершенно очевидно, что в первичных процессах утилизации энергии излучения в живой клетке кроме ЛРТ участвует множество других соединений и макромолекул. Структурно-метаболическая гипотеза В основе гипотезы, разрабатываемой А.М. Кузиным с сотр. с 1965 г., лежит идея о том, что под воздействием ИИ в клетке развиваются не только чисто радиационно-химические процессы, но благодаря наличию в организме биохимических механизмов усиления синтезируются и дополни­тельные высокореакционные продукты, приводящие к повреждению биоло­ гически важных макромолекул и к образованию низкомолекулярных токси­ческих метаболитов [12,13]. В данной гипотезе решающее значение отводится не только радиа­ ционному поражению ядерных макромолекул, но и нарушениям цитоплазматических структур. Повреждение строго скоординированной системы в одном или нескольких звеньях, усугубляемое биохимическим механизмом усиления, приводит к нарушениям мембран и сопряжения важных метабо­лических процессов. В качестве токсических метаболитов особая роль, как и в гипотезе радиотоксинов и цепных реакций, придается первичным радиотоксинам (ПРТ). Полагают, что ПРТ – комплекс веществ, обладающих близкими свойствами, хотя и относящихся к различным классам хи­ мических соединений. Одни из них всегда имеются и в нормальной клет­ке, но в меньшем количестве. Содержание их значительно увеличивается в результате радиационно-биохимических процессов; другие образуются в клетке вследствие тех же процессов. В основе этой гипотезы лежат следующие принципы, которые, по мнению автора, следует обязательно учитывать при построении любой общей теории действия ионизирующего излучения на клетку: • Дискретный характер передачи энергии излучения веществу. • Прямое и непрямое (дистанционное) действие радиации на молекулы и структуры клетки, ответственные за тот или иной радиационный эф­фект. Биологические науки • Микрогетерогенная структура и метаболическая организация клетки, неоднозначность функций различных структур. • Макромолекулярная матричная система хранения и передачи метаболи­ческой и генетической информации, лежащая в основе самоуправления жизнедеятельностью клетки. • Единство клетки и взаимосвязь всех ее структур и обменных процес­сов как необходимые условия существования этой простейшей формы жизни. • Развитие во времени любого радиационного эффекта. Структурно-метаболическая гипотеза также не может быть признана универсальной теорией биологического действия излучения. Вместе с тем нельзя не отметить, что согласно отстаиваемым здесь принципам ведущая роль в первичных процессах лучевого поражения клетки принад­лежит нарушению ее структурной организации и строгой упорядоченности в каждом ее звене. Заключение Все живое существует и развивается в мире излучений – от высо­коэнергетических γ-квантов до низкочастотных радиоволн. Для биосферы Земли излучения – это источник энергии, способ получения информации, мощный фактор изменчивости. Такие фундаментальные биологические про­ цессы, как фотосинтез, фототаксис, фотопериодизм, зрение, радиацион­ ный мутагенез в своей физической основе представляют особые случаи взаимодействия излучений с биологическими структурами. К изучению биологического действия ИИ приступили еще в первые десятилетия прошлого столетия, когда стали известны первые факты его вредного воздействия на организм человека. Интерес к этому изучению и необходимость в нем резко возросли в 40-х гг. XX в. после первых испытаний и применения ядерного оружия, и особенно в 50-х гг., когда ядерная энергия стала применяться в различных областях деятельности человека в мирных целях [14,15]. Начали интенсивно развиваться радио­биология, радиационная гигиена, радиационная экология и другие науки, ориентированные на всестороннее исследование биологических эффектов ионизирующего излучения и выработку средств и методов радиационной защиты [16-18]. К настоящему времени уже накоплен большой объем знаний о биологическом действии излучения. Достижения современной науки позволили создать прочный фундамент для системы законодательных мер по обеспечению ра­диационной безопасности человека [19-22]. Глубокие исследования посвящены однократному действию остропоражающих доз, приводящих к смерти или вызывающих лучевую болезнь. Также изучены закономерности хронического радиационного воздействия на человека при больших дозах облучения. Проявления хронического об­ лучения многообразны – хроническая лучевая болезнь при общем облуче­нии, поражения кожи, хрусталика, костного мозга, пневмосклероз и т.д. [23,24]. Одна из разновидностей лучевых поражений – эмбриотоксические эффекты (повреждение плода) могут возникать даже при сравнительно малых дозах облучения, однако до настоящего времени ко­личественно они изучены слабо [25]. Подводя итог современному состоянию радиобиологический теории, следует признать, что к настоящему времени классические формальные представления принципа попаданий претерпели серьезную модификацию. Стало очевидным наряду с ролью повреждения и репарации ДНК признание Всероссийский журнал научных публикаций № 5(20) 2013 важности повреждений и в других звеньях многокомпонентной строго упорядоченной в структурном и функциональном отношении системы, ка­ковой является живая клетка. Таким образом, создание единой теории радиобиологического эффекта – дело будущего, т.к. оно непосредствен­но связано с познанием молекулярных основ жизни. Список использованных источников 1. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Радиационная биофизика (Курс лекций по биологическому действию ионизирующих излучений). М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. 242 с. 2. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Е.С. Основы радиационной биофизики. М: Изд-во Моск. ун-та, 1982. 304 с. 3. Ландау-Тылкина С.П. Радиация и жизнь. М.: Атомиздат, 1974. 168 с. 4. Ярмоненко С.П. Рожденная веком (Радиобиология – людям). М.: Знание, 1978. 112 с. 5. Несмеянов Ан. П. Прошлое и настоящее радиохимии. Л.: Химия, 1985. 163 с. 6. Пшежецкий С.Я. Излучения и химия. М.: Энергоатомиздат, 1983. 88 с. 7. Маргулис У.Я. Атомная энергия и радиационная безопасность. М.: Энергоатомиздат, 1983. 160 с. 8. Ярмоненко С.Я. Радиобиология человека и животных. М.: Высш. шк., 1984. 375 с. 9. Тимофеев-Ресовский И.Б. и др. Применение принципа попадания в радио­биологии. М: Атомиздат, 1968. 228 с. 10. Пикаев А.К., Кабакчи С.А. Реакционная способность первичных продук­тов радиолиза воды. М.: Энергоиздат, 1982, 201 с. 11. Красавин Е.А. Проблема ОБЭ и репарация ДНК. М.: Энергоатомиздат, 1989. 192 с. 12. Кузин А.М. Молекулярные механизмы биологического действия радиации высоких энергий. М.: Наука. 1968. 31 с. 13. Кузин А.М. Вечерние раздумья. М.: Советская Россия. 1985. 144 с. 14. Алексахин Р.М. Ядерная энергия и биосфера. М.: Энергоиздат, 1982. 215 с. 15. Бабаев Е.С., Демин Б.Ф., Ильин Я.А. и др. Ядерная энергетика, чело­век и окружающая среда. /Под ред. акад. А. П. Александрова. / М.: Энергоатомиздат, 1984. 312 с. 16. Моссе И.Б. Радиация и наследственность: Генетические аспекты противорадиационной зашиты. Мн.: Университетское, 1990. 208 с. 17. Москалев Ю.И. Отдаленные последствия ионизирующих излучений. М.: Медицина. 1991. 464 с. 18. Чухин С.Г. Социально-экономические критерии приемлемости радиацион­ного риска новых радиационных технологий. М.: Энергоатомиздат, 1991. 64 с. 19. Радиационная безопасность. Величины, единицы, методы и приборы. М.: Атомиздат. 1974. 140 с. 20. Радиационная защита. Публикация МКРЗ N26. М.: Атомиздат, 1978. 88 с. 21. Радиационная защита населения. Рекомендации МКРЗ. Публикации NN40, 43. М.: Энергоатомиздат, 1987. 80 с. 22. Количественное обоснование единого индекса вреда: Публикация N45 МКРЗ. М.: Энергоатомиздат, 1989. 88 с. 23. Филюшкин И.В., Петоян И.М. Теория канцерогенного риска воздействия ионизирующего излучения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 160 с. 24. Гозенбук Б.Л., Кеирим-Маркус И.Б. Дозиметрические критерии тяжести острого облучения человека. М.: Энергоатомиздат. 1988. 184 с. 25. Влияние ионизирующего излучения на развитие мозга эмбриона и плода. Публикация N49 МКРЗ. М.: Энергоатомиздат, 1992. 64 с. 11
