Радиохимические процессы в облученном организме

На основании проведенных многочисленных цитологических и микробиологических исследований было установлено, что радиохимические процессы, вызванные действием радиации, ведут к нарушениям во всех частях клеток и целого организма растений и животных. Прямое действие радиации (больших доз) на молекулы белка приводит к их денатурации. В результате молекула белка коагулируется и выпадает из коллоидного раствора, в дальнейшем подвергаясь под влиянием протеолитических ферментов распаду. При этом в клетке наблюдаются нарушения физико-химических процессов с деполимеризацией нуклеиновых кислот, что сопровождается изменением структуры поверхности клетки и проницаемости мембран.

При ионизации воды образуются радикалы, обладающие как окислительными, так и восстановительными свойствами. Наибольшее значение из них имеют атомарные водород, кислород и перекись водорода. Свободные окисляющие радикалы вступают в реакцию с ферментами, содержащими сульфгидрильные группы (SH), которые превращаются в неактивные дисульфидные соединения (S==S). В результате этих реакций и превращений нарушается каталитическая активность важных тиоловых ферментных систем, принимающих активное участие в синтезе нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот, имеющих огромное значение для жизнедеятельности организма.

Прежде всего, это действие сказывается на молекулярных структурах ядер клеток, включая хромосомный аппарат, молекулы ДНК и РНК. Об этом можно судить по изменениям физико-химических свойств нуклеопротеидных комплексов, приводящих к нарушению согласованного процесса синтеза клеточных белков.

Поражение генетических структур (ДНК) обусловливает также мутагенное действие радиации, так как во время деления клетки на стадиях митофазы, анафазы и телофазы появляется «липкость» хромосом, их распад на отдельные фрагменты и нарушение расхождения к полюсам. Клетки, облученные в стадии интерфазы или профазы, не способны вступать в процесс дальнейшего деления в течение одного и более часов.

Повреждение внутриклеточных структур может происходить при прямом действии ионизирующих частиц, а также под влиянием различных радиотоксинов, образующихся под действием свободных радикалов, перекисей, атомарного кислорода и молекулярного водорода в ходе радиохимического этапа лучевого поражения.

Показательным моментом является также последствие облучения клеток со стороны митохондрий. При нарушении целостности их мембран угнетаются процессы окислительного фосфорилирования, лежащие в основе синтеза важнейшего клеточного макроэрга - АТФ. Так, при дозах облучения от 100 до 300 Р через 10-12 часов сначала наблюдается гипертрофия митохондрий, а затем их лизис. Это приводит к нарушению энергетических процессов в клетке.

При малых дозах ионизирующих излучений пострадиационные реакции заключаются в снижении концентрации и выведении из клеток радиотоксинов и восстановлении (репарации) функций всех органоидов клеток и, в особенности, их ядер.

Радиочувствительность клеток и тканей подчиняется действию закона (правила) Бергонье - Трибондо.

В 1906 году французские ученые И.Бергонье и Л.Трибондо, анализируя радиочувствительность клеток семенников у грызунов, выявили наибольшую

радиочувствительность у сперматогоний и сперматоцитов I порядка, а наи-

меньшую - у зрелых спермиев.

Ими было сформулировано правило: «Рентгеновские лучи действуют на клетки тем интенсивнее, чем выше воспроизводящая активность клеток, чем длиннее период их кариокинеза и чем менее предопределены их морфология и функция». Другими словами, действие ионизирующих излучений на клетки и ткани тем выше, чем выше их способность к делению (росту) и ниже - к дифференцировке (развитию).

Особенно высока радиочувствительность клеток на ранних стадиях деления ядра. На основе этого можно выделить 4 типа клеток:

1. Наиболее радиочувствительные клетки – это регулярно делящиеся, но не подвергающиеся дифференцировке между делениями (базальные клетки эпидермиса, бластоциты красного костного мозга).

2. Менее радиочувствительные клетки делятся регулярно, но в промежут-

ках между делениями способны дифференцироваться (например, миелоциты).

3. Относительно радиорезистентные клетки в обычных условиях не делятся, но сохраняют способность к делению после стимуляции (например, клетки печени, стимулированные к делению путем частичной гепатэктомии или воздействием CCl₄).

4. Радиорезистентные клетки - высокодифференцированные, утратившие способность к делению (например, нейроны).

Используя понятие порога дозы (дозы, вызывающей гибель части клеток данной популяции), выделяют следующие группы клеток, различающиеся по радиочувствительности (табл. 28).

В последнее время большое внимание исследователей привлекает проблема эффектов малых доз радиации на биологические объекты в связи с увеличивающимся радиоактивным загрязнением окружающей среды.

Таблица 28. Группы клеток, различающихся по радиочувствительности

Степень радиочувствительности	Порог дозы (Гр)	Тип клеток
Высокорадиочувствительные	0,25-1	Лимфоциты, кроветворные клетки, клетки гонад
Высокорадиочувствительные	1-2	Клетки слизистой оболочки тонкого кишечника
Среднечувствительные	3-4	Стволовые клетки кожи, сальных желез, клетки хрусталика глаза
Среднечувствительные	8-10	Эндотелий кровеносных сосудов
Радиорезистентные	› 10	Почечный эпителий, железистый эпителий, гепатоциты, альвеоляр-ный эпителий, миоциты, нейроны

Экспериментальные работы, посвященные исследованию эффектов в области малых доз радиации, с которыми сталкиваются люди в обыденной жизни, заполнены данными, полученными путем экстраполяции из области больших доз. Достаточно сказать, что не определено само понятие «малой дозы» радиации.

По этой причине в радиобиологии существует спектр гипотез о степени опасности малых доз радиации: от линейно-беспороговой, когда опасными считаются любые сколь угодно малые дозы радиации, до гипотезы радиационного гормезиса, когда малые дозы радиации считаются полезными для живых организмов (Кузин А.М., 1991).

Как считает И.Я. Василенко (2001), малые дозы радиации стимулируют образование соответствующих ферментов репарации ДНК, поврежденных не только радиацией, но и другими агентами. С повышением дозы защитные механизмы уже не могут обеспечить гомеостаз организма.

Большой объем информации по влиянию радиации на человека был получен при изучении последствий бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, а также Чернобыльской аварии. Доказано, что дети, родившиеся от облученных родителей после бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, не отличались от детей из контрольной популяции по таким медико-генетическим параметрам, как выкидыши, аборты, мертворождения, генетические уродства и т.д. Достоверная разница наблюдалась лишь по соотношению полов: у облученных матерей рождалось меньше сыновей, а у облученных отцов – меньше дочерей (Фогель Ф. и Мотульски А., 1990; Neel J.V., 1998).

Достоверные отличия по количеству облученных людей, умерших от рака различной этиологии, наблюдались при облучении дозой 1Зв и выше и составляли 9% по сравнению с 7% в контрольной популяции. Для лейкозов относительная разница была значительно больше (при дозе 1 Зв разница была четырехкратной), но в абсолютном исчислении это было 79 смертей против 17 на 10 тыс. смертей (Kohnlein W.& Nussbaum R.H., 1991).

Удвоение числа мутаций для млекопитающих наблюдается при дозе в 1 Зв при хроническом облучении и 40 сЗв при остром облучении (Sankaranarayanan K., 1993). Вместе с тем, один зиверт – это доза, которая вызывает легкую степень тяжести лучевой болезни у людей, сопровождающуюся нарушением физиологических функций, в то числе генеративной.

Три зиверта – это полулетальная доза для человека, то есть физиология человека более уязвима, чем генетика.

Поскольку генетические нарушения, значимые для последующих поколений, появляются при облучении дозами, близкими к полулетальным, некоторые авторы делают вывод, что атомные бомбардировки в Японии привели к трагедии, но генофонд японской нации не пострадал (Гонсалес А., 1995; Neel J.V., 1998).

В исследованиях влияния последствий Чернобыльской аварии на генети-

ческие системы человека рядом авторов получены устрашающие результаты (Ярмоненко C.П., 1998; Яворовски З., 1999).

Например, Ю.Е. Дуброва сообщает об увеличении количества мутаций в минисателлитной ДНК людей, проживающих в зоне аварии Чернобыльской АЭС (Dubrova Yu.E. et al., 1996). Однако в качестве контроля в этой работе была рассмотрена популяция людей из Англии, что затрудняет интерпретацию этих результатов из-за возможности полиморфизма по минисателлитной ДНК в разных популяциях.

Популяционные исследования, проведенные на модельных объектах, говорят о том, что после разового радиационного воздействия в популяции через малое число поколений происходит элиминация генетических повреждений, а в случае хронического воздействия появляются радиоустойчивые формы.

Такие результаты были получены в экспериментах на хирономусе, дрозофиле и бактериях (Шевченко В.А. и Померанцева М.Д., 1985; Шевченко В.А. и др., 1992, Demakova O.V. et al., 1994). Например, бактерия Deinococcus radiodurans выдерживает облучение в 30 тыс. Гр. Возможно, устойчивость бактерии к таким дозам радиации обусловлена наличием определенного эволюционно выработанного механизма репарации множественных разрывов, так как при неблагоприятных условиях (например, высыхании) ДНК D.radiodurans фрагментируется, поскольку эта бактерия не формирует спор (Daly M.J. & Minton K.W., 1995).

Есть данные, согласно которым радионуклиды при малых дозах радиации опаснее как химические элементы – токсиканты, чем как источники радиации (Sheрpard S.C. et al., 1992). Это можно объяснить тем, что при малых дозах радиации прямое повреждение ДНК в силу небольшого объема ядра маловероятно.

Существует понятие «адаптивный ответ», которое используется в практической медицине при лечении онкологических больных с помощью радиации (Эйдус Л.Х., 1977; 1996). Более того, существует термин «радиационный гормезис», означающий полезность малых доз радиации (Кузин А.М., 1977; 1991).Так, в широкомасштабных исследованиях для радона в США показано, что в том диапазоне концентраций, какой характерен для жилых помещений, частота заболеваний раком легких падает с увеличением концентрации радона в жилище (Cohen B.L., 1993).

Радиация в плане повреждения генетического аппарата значима при дозах, близких к полулетальным. Это, скорее всего, не означает, что радиация не действует на генетические структуры клетки. Все дело - в существовании мощного аппарата, репарирующего повреждения (Тарасов В.А., 1982; Ланцов В.А., 1998) и сформировавшегося в ходе эволюции под воздействием различных стрессовых факторов (тепловые шоки, гипоксия и т.д.).

Итак, проведение генетических исследований влияния радиационных воздействий неправомочно без учета радиочувствительности исследуемого объекта, без указания типа и количества радионуклидов в почвах, продуктах питания, воде и т.д. (Ярмоненко С.П., 1996).

Нельзя делать выводы о генетических последствиях малых доз радиации в «чистых» и «грязных» районах, если нет радиологических характеристик этих районов. Наблюдаемые генетические эффекты могут и не быть связаны с радиацией.

Крайне важно знать и учитывать межпопуляционную разницу изучаемого объекта по генетическим характеристикам, поскольку при слабых эффектах выбор адекватного контроля определяет результат.

Если механизмы репарации при малых дозах облучения могут довольно

быстро ликвидировать незначительные нарушения и восстановить функции

всех компонентов клетки, то при больших дозах в ответ проявляется патологическая реакция, приводящая либо к частичному, либо полному нарушению жизнедеятельности клеток и всего организма, приводящая его к гибели.