Влияние физических факторов на живые организмы

Найбільш значимі наступні типи іонізуючого випромінювання: короткохвильове електромагнітне випромінювання (рентгенівське і гамма-випромінювання), потоки заряджених частинок: бета-частинок (електронів і позитронів), альфа-частинок (ядер атома гелію-4), протонів, інших іонів, мюонів та ін ., а також нейтронів.

У природі іонізуюче випромінювання зазвичай генерується в результаті спонтанного радіоактивного розпаду радіонуклідів, ядерних реакцій (синтез і індуковане ділення ядер, захоплення протонів, нейтронів, альфа-частинок та ін), а також при прискоренні заряджених частинок в космосі (природа такого прискорення космічних частинок до кінця не зрозуміла). Штучними джерелами іонізуючого випромінювання є штучні радіонукліди (генерують альфа-, бета-, і гамма-випромінювання), ядерні реактори (генерують головним чином нейтронне і гамма-випромінювання), радіонуклідні нейтронні джерела, прискорювачі елементарних частинок (генерують потоки заряджених частинок, а також гальмівне фотонне випромінювання), рентгенівські апарати (генерують гальмівне рентгенівське випромінювання) .

Передача енергії на іонізацію атомів і молекул обумовлена взаємодією випромінювання з електронними оболонками атомів речовини. В процесі іонізації нейтральних частинок - атомів або молекул, виникають заряджені іони обох знаків - позитивні і негативні. Іонізація зазвичай відбувається шляхом відриву електрона від зовнішніх орбіталей. Отже, взаємодія випромінювання з речовиною забезпечує передачу електрону енергії в кількості, достатній для повного його відриву від атома. Така кількість енергії називається іонізаційним потенціалом.

Збудження атомів або молекул полягає в переведенні їх у більш високий енергетичний стан шляхом передачі їм енергії, що переводить електрони в збуджений стан. У результаті збудження атоми або молекули набувають підвищеної реакційної здатності, завдяки появі у них неспарених електронів. Стан атомів і молекул, пов'язаний з наявністю неспарених електронів, називають свободно-радикальним, іонізація і збудження молекул, викликані дією іонізуючою радіацією, призводять до хімічних змін в них, тобто до радіаційних пошкоджень. Процеси взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною в живих організмах призводять до специфічної біологічної дії, закінчуючи ушкодженням організму. Первинним актом цієї дії є порушення і іонізація молекул, в результаті чого виникають вільні радикали (пряма дія випромінювання) або починається хімічне перетворення (радіоліз) води, продукти якого (радикал ОН, перекис водню - H2O2 та ін.) вступають в хімічну реакцію з молекулами біологічної системи. Первинні процеси іонізації не викликають великих порушень в живих тканинах. Шкідлива дія випромінювання пов'язана, мабуть, з вторинними реакціями, при яких відбувається розрив зв'язків всередині складних органічних молекул, наприклад SH-груп в білках, хромофорних груп азотистих основ у ДНК, ненасичених зв'язків у ліпідах та ін..

Вплив іонізуючого випромінювання на клітини обумовлено взаємодією вільних радикалів з молекулами білків, нуклеїнових кислот і ліпідів, коли внаслідок усіх цих процесів утворюються органічні перекиси і виникають швидкопротікаючі реакції окислення. У результаті перекисного окиснення накопичується безліч змінених молекул, в результаті чого початковий радіаційний ефект багаторазово посилюється. Все це відбивається, насамперед, на структурі біологічних мембран, змінюються їх сорбційні властивості і підвищується проникність (в тому числі мембран лізосом і мітохондрій). Зміни в мембранах лізосом призводять до звільнення і активації ДНК-ази, РНК-ази, катепсинів, фосфатази, ферментів гідролізу мукополісахаридів і ряду інших ферментів.

Звільнені гідролітичні ферменти можуть шляхом простої дифузії досягти будь-якої органели клітини, в яку вони легко проникають завдяки підвищенню проникності мембран. Під дією цих ферментів відбувається подальший розпад макромолекулярних компонентів клітини, в тому числі нуклеїнових кислот, білків. Роз'єднання окислювального фосфорилювання, в результаті виходу ряду ферментів з мітохондрій, в свою чергу, призводить до пригнічення синтезу АТФ, а звідси і до порушення біосинтезу білків.

Таким чином, в основі радіаційного ураження клітини лежить порушення ультраструктур клітинних органел та пов'язані з цим зміни обміну речовин. Крім того, іонізуюча радіація викликає утворення в тканинах організму цілого комплексу токсичних продуктів, що підсилюють променевий ефект - так званих радіотоксинів. Серед них найбільшою активністю володіють продукти окислення ліпідів - перекиси, епоксиди, альдегіди і кетони. Утворюючись зразу після опромінення, ліпідні радіотоксини стимулюють утворення інших біологічно-активних речовин - хінонів, холіну, гістаміну і викликають посилений розпад білків. Будучи введеними неопроміненим тваринам, ліпідні радіотоксини надають дію, що нагадує променеве ураження. Іонізуюче випромінювання має найбільший вплив на ядро клітини, пригнічуючи мітотичну активність.

Іонізуюче випромінювання діє на клітини тим сильніше, чим вони молодші і чим менше диференційовані. На підставі морфологічних ознак, вражає органи і тканини ,розподіляються в наступному низхідному порядку: лімфоїдні органи (лімфатичні вузли, селезінка, зобна залоза, лімфоїдна тканина інші ), кістковий мозок, насінники, яєчники, слизова оболонка шлунково-кишкового тракту. Ще менше уражуються шкіра з придатками, хрящі, кістки, ендотелій судин. Високу радіостійкість мають паренхіматозні органи: печінка, надниркові залози, нирки, слинні залози, легені.

Шкідлива дія іонізуючого випромінювання на клітини при досить високих дозах завершується загибеллю. Загибель клітини в основному є результатом придушення мітотичної активності і незворотного пошкодження хромосомного апарату клітини, але можлива і інтерфазна загибель (поза періодом мітозу) через порушення метаболізму клітини та інтоксикації згаданими вище радіотоксинами. В результаті відбувається спустошення тканин через те, що не заповнюється природне зменшення клітин, за рахунок утворення нових.

У нуклеїнових кислотах під дією іонізуючого випромінювання відбуваються зміни як в окремих нуклеотидах (наприклад, розмикання піримідинового або імідазольного кілець, дезамінування аденіну, гуаніну і цитозину, окислення спиртових груп і розриви вуглець-вуглецевих зв'язків в дезоксирибозі), так і в спіральній структурі (одно-і двухланцюгові розриви водневих зв’язків у ланцюгах ДНК, зшивки між нуклеотидами однієї або різних ланцюгів, зшивання ДНК з білком). Викликані зміни в молекулах нуклеїнових кислот призводять до виникнення генних (зміна нуклеотидного складу окремого гена) та хромосомних (зміна структури хромосом) мутацій.

Радіоліз пуринових основ може супроводжуватися розмиканням піримідинового або імідазольного кільця, відбувається дезамінування цитозину, аденіну і гуаніну. У дезоксирибозі спостерігається окислення спиртових груп, розриви вуглець-вуглецевих зв'язків. Порушують структуру молекули ДНК розриви полінуклеотидних ланцюгів, що проходять з утворенням 3 'ОН-і 5'Р0₄-залишків, 3'Р0₄-і 5'ОН-залишків, розриви з відщепленням аніона фосфорної кислоти, нуклеотидів, нуклеозидів.

Опромінення супроводжується розривом водневих зв'язків на окремих ділянках двуланцюгових ДНК, частковою її денатурацією. Можливі ковалентні зшивання - поздовжні між основами і поперечні між двома ланцюжками в подвійній спіралі. Виходи радіаційно-хімічних реакцій і характер виникаючих при них продуктів багато в чому залежать від стану нуклеїнової кислоти і наявності кисню.

Всі радіаційно-хімічні перетворення нуклеїнових кислот можна згрупувати в такі типи пошкоджень, які зачіпають функції цих макромолекул: пошкодження нуклеотидів, одноланцюгові і двуланцюгові розриви. Про розриви водневих зв'язків, локальної денатурації судять по гіперхромізму - збільшення поглинання світла в області 262 нм розчинами ДНК. Розриви ниток ДНК визначають по зменшенню молекулярної маси молекул, що реєструється за допомогою диференціального центрифугування в градієнті щільності або виміром мікров'язкості розчинів. Навіть при незначних виходах радіаційно-хімічних перетворень ДНК наслідки їх можуть бути дуже значні, оскільки яким би не було малим число ушкоджень в одній молекулі ДНК з величезною молекулярної масою, її цілісність при цьому порушиться, що неминуче позначиться втратою біологічної функції.

Дія іонізуючого випромінювання на білки викликає пошкодження амінокислот, розриви водневих, дисульфідних, поліпептидних зв'язків і, як наслідок, втрату їх біологічних функцій. Ці порушення можуть бути викликані як безпосереднім попаданням кванта випромінювання, так і взаємодією білка з вільними радикалами або іншими продуктами радіолізу сусідніх молекул. Ці зміни починаються з виникнення продуктів відщеплення карбоксильної групи з розривом зв'язку С-С, аміногрупи з розривом зв'язку С-N , або атома водню від атома азоту або вуглецю в положення А. У сірковмісних амінокислотах основні радіаційно-хімічні перетворення зачіпають сірку.

У радіаційно-хімічних перетвореннях білкових молекул у водних розчинах істотну роль відіграють радикали ОН і електрони. В результаті первинного розмаху енергії виникають вільнорадикальні стани, які беруть участь в реакціях другого порядку, або, як їх називають, другого покоління. Наслідком того, що в поліпептидному ланцюзі спочатку виникли збудженні стани електрона, вони можуть мігрувати вздовж молекули, в кінцевому рахунку вільнорадикальний стан локалізується в певних місцях молекули. Через проміжні сполуки, які виникають по місцях локалізації вільнорадикальних станів, білки розщеплюються з утворенням амідів і карбонільних сполук. В результаті виникають фрагменти білкових молекул. Разом з тим, одночасно, можуть відбуватися і процеси полімеризації, ініційовані вільнорадикальними станами. Під впливом опромінення порушується система водневих зв'язків, що супроводжується денатурацією білкових молекул, їх переходом в нерозчинний стан.

Різноманіття радіаційно-хімічних ефектів в опроміненому білку обумовлює порушення функціональної активності цих макромолекул, що у випадку ферментів виявляється їх інактивація. Причини радіаційної інактивації ферментів обумовлюють не тільки пряме ураження амінокислот, що входять до складу активного центру молекули, але й порушення “аллостеричного” її центру і зміна конформації всієї молекули.

З втратою властивих неушкодженої білкової молекулі конформаційних станів пов'язане ще одне дуже важливе для біологічних систем явище -ослаблення здатності білка до молекулярного впізнавання, що визначає самозбирання надмолекулярних структур.

Пошкодження ліпідів, в основному, викликане перекисним окисленням ненасичених жирних кислот. Ініціаторами даної реакції є вільні радикали води або самих ліпідів. Внаслідок ланцюгового характеру даної реакції уражається значне число ліпідних молекул, в результаті попадання всього лише одного кванта. Радіаційні пошкодження ліпідних молекул призводять до утворення альдегідів, кетонів, спиртів, а також зшивок між молекулами.

Дія іонізуючого випромінювання на ліпіди в запуску радіобіологічних процесів, суттєву роль можуть грати радіаційно-хімічні перетворення жирних кислот і ліпідів. Жирні кислоти при опроміненні, в чистому вигляді, піддаються декарбоксилюванню з утворенням вуглеводневого радикала. При опроміненні у водних емульсіях  утворюються додаткові радикали з неспареними електронами в карбоксильній і вуглеводневій частинах молекули. Ці нестабільні радикали зазнають ще ряд перетворень, взаємодіючи з неушкодженими молекулами, між собою і з киснем. В останньому випадку виникає дуже активний перекисний радикал, який, взаємодіючи з вихідною карбонової кислотою, призводить до утворення гідроперекисів і нового радикала:

Тут RН – ліпід, Р – стабільний радикал. Як бачимо, у цих реакціях виникають вільні радикали, і процес перетворення жирних кислот у присутності кисню набуває ланцюгового характеру.

Кінцевими продуктами радіаційно-хімічних перетворень жирних кислот є карбонільні сполуки, альдегіди, кетони, спирти, вуглекислий газ. Ланцюговий процес обривається конкуруючими реакціями.

У ненасичених жирних кислотах відбуваються перетворення подвійних зв'язків -С=С- за механізмом, подібному з автоокисленням. Внаслідок наявності серед продуктів радіолізу жирних кислот вільних радикалів можливі реакції зшивок, у зв'язку з чим можуть з'являтися речовини, молекулярна маса яких вище, ніж у вихідної сполуки.

Радіоліз ліпідів супроводжується накопиченням продуктів радіаційно-хімічного перетворення, що входять до складу їх молекул ненасичених жирних кислот. Серед цих продуктів є перекис і гідроперекиси, що отримали назву ліпідних перекисів.

У живій клітині є й інші речовини - мономерні і полімерні вуглеводи, вільні нуклеотиди, вітаміни, іони неорганічних речовин, інколи пігменти, лігнін, речовини фенольного походження та ін.. Всі вони, звісно, також піддаються радіаційно-хімічним перетворенням, обумовлюючи свій внесок у загальне радіаційне ураження клітин відповідно до своєї концентрації у клітині, біологічної значимості і токсичності утворених з них продуктів радіолізу.

Рентгенівське і гамма випромінювання широко застосовуються в медичній діагностиці для інтероскопіі організму. Найбільш відомим з ентероскопіческіх методів є рентгенодіагностика, яка поділяється на рентгеноскопію (зображення розглядається на люмінесціюючої екрані) та рентгенографію (Зображення фіксується на фотоплівці). Для отримання більш яскравого зображення потрібне посилення інтенсивності рентгенівського опромінення, що негативно позначається на здоров'я пацієнта. Тому в рентгенології застосовується цілий ряд технічних засобів для поліпшення якості зображення при малих інтенсивностях опромінення.

 Зображення внутрішніх органів можна отримувати також, використовуючи радіонуклідний метод діагностики. Відомо, що деякі хімічні елементи і сполуки мають здатність вибірково накопичуватися в будь-якому органі чи тканині. Якщо в це з'єднання (радіофармпрепаратів) включити радіоактивний ізотоп і ввести пацієнту, то, дочекавшись розподілу препарату в організмі, можна за допомогою спеціальних приладів (Наприклад сцинтиграфія) визначити випромінювання ізотопу в різних ділянках тіла. Природно, що в областях, де концентрація препарату більше, випромінювання буде сильніше. При розробці нових радіофармпрепаратів прагнуть до того, щоб ізотоп володів як можна меншим періодом напіврозпаду щоб уникнути зайвого опромінення організму. Радіоізотопи використовуються також для визначення незначних концентрацій в крові деяких речовин, наприклад гормонів, коли звичайні хімічні методи виявляються неефективними. Суть даного методу, який називається радіоімунологічним, в наступному. За допомогою спеціальних методів імунології для визначуваної речовини (антигену) отримують антитіла, здатні зв'язуватися саме з ним. Далі в пробірці змішують антитіла, антигени, помічені якимось радіоактивним ізотопом, і кров пацієнта, імовірно яка містить ці антигени (Немічені). Антитіла й антигени, зв'язуючись один з одним, утворюють комплекси, які відокремлюють центрифугуванням. Чим вище була концентрація антигену в крові, тим більше антитіл зв’яжеться з антигенами пацієнта і менше - з міченими антигенами. Якщо ж антиген в крові повністю був відсутній, то утворюються комплекси тільки з міченими антигенами. За радіоактивності осаду при відомому об'ємі крові, взятої для аналізу, визначають концентрацію антигену в крові. Радіоімунологічний метод дозволяє діагнозувати на ранніх стадіях цілий ряд захворювань, стежити за нормальним протіканням вагітності і розвитком плоду, надає величезну допомогу в наукових дослідженнях. Рентгенотерапію широко використовують для лікування онкологічних захворювань. В основі методу лежить той факт, що найбільшою чутливістю до опромінення мають ті клітини, які активно діляться. Тому дія іонізуючого випромінювання викличе переважну загибель саме ракових клітин.