Л.И. Баюров
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии
Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2009. – 112 с.
Лекция 5-6. Механизм взаимодействия ионизирующего излучения с биологической тканью
2. Теории косвенного и прямого действия
В настоящее время в радиобиологии существуют две концепции
действия радиации на живые организмы. Чаще они называются теориями косвенного и
прямого действия.
Согласно первой из них, ионизация, вызванная излучением,
происходит в особых молекулах, входящих в состав чувствительных областей
клеток. Их всех первичных процессов, происходящих в них под действием радиации,
играют ионизация и связанные с ней химические изменения. Под действием
ионизирующих излучений в воде образуются катионы и анионы:
Н2О
® Н2О+ + е-
Н2О
+ е-® Н2О-
Эти ионы отличаются от ионов воды, образующихся в
естественных условиях в процессе электролитической диссоциации. Они
характеризуются неустойчивой электронной структурой, так как имеют нечетное
число электронов на внешней орбите и свободную валентность. По этим причинам
эти ионы не могут долго существовать и быстро диссоциируют с образованием свободных
радикалов.
Положительный ион (катион) воды диссоциирует на протон и
свободный радикал гидроксила: Н2О+ ® Н+ + ОН•
А отрицательный ион (анион) воды образует при диссоциации
свободный радикал водорода (атомарный водород) и анион гидроксильной группы:
Н2О-
® Н• + ОН-
Свободные радикалы водорода и гидроксила обладают очень
высокой химической активностью и не могут существовать длительное время.
Поэтому они начинают взаимодействовать как между собой, так и с другими
биологически важными молекулами:
1). Н• + ОН• ® Н2О 2). Н• + Н•
® Н2↑
3). ОН• + ОН• ® Н2О2 4). ОН• + ОН•
® Н2О + О↑
Свободные радикалы, перекись водорода и атомарный кислород
обусловливают химические изменения в различных частях клеток, которые приводят
к развитию радиобиологических эффектов.
До открытия свободных радикалов воды радиобиология объясняла
действие радиации на живые клетки прямым эффектом.
В конце 20-х - начале 30-х г.г. прошлого столетия Дж.
Кроутер (Кроузер), а также Ф. Хольвек и А. Лакассань, анализируя кривые
зависимости эффекта (гибель клеток) от дозы облучения, для объяснения его
вероятностного характера вводят представление о наличии в клетке особого
чувствительного объёма - «мишени». Попадание ионизирующей частицы в «мишень» и
вызывает наблюдаемый эффект.
При изучении действия радиации на простейших и биологически
активные молекулы Кроутер установил, что зависимость их инактивации от величины
дозы облучения носит экспоненциальный характер. То есть, эффективность
облучения резко падала, когда погибало около 90% объектов, а для оставшихся 10
% необходимо было увеличить дозу в 2 раза. Это объяснялось тем, что вероятность
попадания ионизирующих частиц или квантов в неповрежденные объекты уменьшается,
так как в среде их содержание уменьшается в 10 раз от начального количества. На
основе этой зависимости Кроутер пришел к выводу, что инактивация клеток или
молекул происходит в результате одного попадания (одноударный механизм).
Теория «мишени»
как формальное обобщение многих наблюдаемых явлений была окончательно
сформулирована английским учёным Дугласом Ли (1946), немецким учёным К.
Циммером и нашим выдающимся соотечественником биологом-эволюционистом,
генетиком, одним из основателей радиобиологии Николаем Владимировичем
Тимофеевым-Ресовским (1947).
Д. Ли в своих исследованиях развил гипотезу Кроутера и также
сформулировал новое положение о многоударном механизме поражения. Он предположил,
что в клетках имеются особо чувствительные места, т.е. мишени, при попадании в
которые частиц или квантов происходит инактивация ферментов или гибель клеток.
Было установлено, что оно вызвано не только попаданием самой
частицы в клеточные структуры, но также и действием других факторов: температуры,
содержанием воды и кислорода, рН среды и наличием защитных
веществ-радиопротекторов.
Среди первых радиопротекторов были, в основном, вещества,
содержащие в своей молекуле аминную (- NH2) и тиольную (- SH)
группы. В дальнейшем, в экспериментах на лабораторных животных и клетках, были
изучены защитные свойства десятков тысяч препаратов различной химической
природы и было выявлено, что наиболее эффективными остаются упомянутые аминные
и тиольные радиопротекторы.
|