Радиобиология человека и животных

Размещено на http://allbest.ru

Министерство сельского хозяйства Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра "Микробиология, вирусология, биотехнология, радиобиология и безопасность жизнедеятельности"

Контрольная работа

по радиобиологии

Радиобиология человека и животных

Выполнил студент

ветеринарного факультета

Проверил

Нижний Новгород

Содержание

1. Строение атома, ядра атома, изотопы, изомеры, изобары

2. Действие радиации на клетку, пост радиационное восстановление клетки

3. Радиационная токсикология, параметры, характеризующие Р.В. как токсикологические агенты

4. Мероприятия по содержанию радионуклидов в продукции животноводства

5. Рациональное использование животных при комбинированном поражении

6. Правила упаковки и транспортировки проб

Список использованной литературы

1. Строение атома, ядра атома, изотопы, изомеры, изобары

Еще в V веке до нашей эры греческие мыслители Левкипп и Демокрит сформулировали результаты своих размышлений о структуре материи в виде атомистической гипотезы: вещество невозможно бесконечно делить на все более мелкие части, существуют «окончательные», неделимые частицы вещества. Все материальные предметы состоят из разнообразных атомов

(от греч. atomos -- «неделимый», «неразрезаемый»). Соединяясь, различные типы атомов, образуют все новые вещества.

По легенде, Демокрит, сидя у моря на камне, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я буду резать это яблоко ножом на все более мелкие части, всегда ли у меня в руках будет оставаться часть, которая все еще имеет свойства яблока?» Обдумав эту гипотезу, Демокрит пришел к следующим выводам: «Начало Вселенной - атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении. Миров - бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие. И атомы бесчисленны по величине и множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля… Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердости».

На начало 19 века приходится становление теории атомно-молекулярного строения мира. Доказать экспериментально, что каждый химический элемент состоит из одинаковых атомов, удалось лишь в 1808 г.

Сделал это английский химик и физик Джон Дальтон, вошедший в историю как создатель химического атомизма. Дальтон представлял атомы в виде упругих шариков и настолько верил в их реальное существование, что даже рисовал на бумаге атомы кислорода и азота.

В 1811 г. итальянский физик и химик Амедео Авогадро выдвинул гипотезу, согласно которой молекулы простых газов состоят из одного или нескольких атомов. На основе этой гипотезы Авогадро дал формулировку одного из основных законов идеальных газов и способ определения атомных и молекулярных масс.

Он открыл один из газовых законов, названный его именем. На его основе был разработан метод определения молекулярного и атомного весов. Итак, все вещества в природе состоят из атомов. Их принято делить на простые, состоящие из атомов одних и тех же элементов (О2, N2, H2 и т.д.), и сложные, в состав которых входят атомы различных элементов (H2O, NaCl, H2SO4 и др.).

Атом - это наименьшее структурное образование любого из простейших химических веществ, называемых элементами.

Хотя понятие атома, как и сам термин, имеет древнегреческое происхождение, только в ХХ веке была твердо установлена истинность атомной гипотезы строения веществ.

Размер и масса атомов чрезвычайно малы. Так, диаметр самого легкого атома (водорода) составляет всего 0,53 . 10-8 см, а его масса 1,67 . 10-24 г.

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории - с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда - Бора. После открытия электрона в 1897 г. Джозефом Джоном Томсоном он обнаружил, что от атомов под действием сильного электрического поля отрываются заряженные частицы. По его оценкам, масса «атома электричества» примерно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд точно совпадает с зарядом иона водорода.

Позднее, уже в 1910 и 1913 г.г., Роберт Милликен намного повысил точность измерений заряда и массы электрона. Так, несмотря на отдельные мнения, к концу XIX века стало понятно, что частицы, еще меньшие, чем атомы, существуют реально, и что, скорее всего, они входят в состав атомов и являются носителями некоторого наименьшего количества электричества.

Джозеф Томсон, развивая модель У.Томсона, в 1903 г. предлагает свою модель атома («пудинга с изюмом»): в положительную сферу вкраплены электроны. Они удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут довольно легко «выбиваться», оставляя ионизованный атом рис. 1.

Рис. 1. Модель строения атома Дж.Томсона

В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Он считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Дж. Томсон предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д.И. Менделеева.

Позднее Нильс Бор указал, что со времени этой попытки идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом. В 1911 г. Джозеф Томсон разработал так называемый метод парабол для измерения отношения заряда частицы к её массе, который сыграл большую роль в исследовании изотопов.

В 1903 г. с идеей о планетарной модели строения атома в Токийском физико-математическом обществе выступил японский теоретик Хантаро Нагаока, назвавший эту модель «сатурноподобной».

Х.Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты» - электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны. Но его работа, о которой Э. Резерфорд не знал, не получила дальнейшего развития.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Джозефа Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были открыты выдающимся английским физиком Э. Резерфордом. В первую очередь следует отметить открытие им ядерного строения атома.

Ученик Джозефа Томсона Эрнест Резерфорд в результате знаменитых экспериментов по рассеянию золотой фольгой б-частиц «разделил» атом на маленькое положительно заряженное ядро и окружающие его электроны (рис. 2).

В 1908-1909 г.г. работавшие в университете Виктории (Манчестер, Англия) у Резерфорда Ханс Гейгер, который незадолго до этого сконструировал совместно с ним счетчик альфа-частиц, и Эрнест Марсден установили, что при прохождении альфа-частиц сквозь тонкие пластинки из золотой фольги подавляющее их большинство пролетает навылет, но единичные частицы отклоняются на углы больше 90о, т.е. полностью отражаются.

Рис. 2. Рассеяние альфа-частиц в опыте Э.Резерфорда К - свинцовый контейнер с радиоактивным источником б-частиц, Ф - золотая фольга, Э - экран, покрытый сульфидом цинка, М - микроскоп

Большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу, отражалась лишь их малая часть, и Э. Резерфорд понял, что альфа-частицы отражаются, когда налетают на маленькие массивные объекты, и что эти объекты расположены далеко друг от друга. Так были открыты атомные ядра. Объем ядра оказался в миллионы миллиардов раз меньше объема атома, и в этом ничтожно малом объеме находилось практически все вещество атома.

К этому времени уже знали, что электрический ток представляет собой поток частиц, эти частицы назвали электронами. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели строения атома.

Согласно ей он напоминал миниатюрную солнечную систему, в которой «планеты» - электроны вращаются вокруг «Солнца» - ядра (рис. 3).

Рис. 3. Планетарная модель строения атома Резерфорда-Бора

Благодаря работам Резерфорда стало ясно, как устроены атомы: в середине атома находится крохотное массивное ядро, а вокруг ядра «роятся» электроны и образуют легкую оболочку атома. При этом электроны, располагаясь и вращаясь в разных плоскостях, создают отрицательный суммарный заряд, а ядро - положительный. В целом атом же остается электронейтральным, так как положительный заряд ядра полностью компенсируется отрицательным зарядом электронов.

Однако, согласно законам классической механики и электродинамики, вращение электрона вокруг ядра должно сопровождаться электромагнитным излучением с непрерывным спектром.

Но это противоречило известным еще с 1880 г. линейчатым спектрам газов и паров химических элементов.

Противоречие разрешил в 1913 г. ученик Резерфорда датский физик Нильс Бор , разработав квантовую модель строения атома на основе квантовой теории излучения и поглощения света, созданной Максом Планком и Альбертом Эйнштейном .

При этом Бору удалось объяснить и рассчитать теоретически линейчатые спектры испускания атомов водорода, а также серии линий в рентгеновских спектрах элементов.

(14 декабря 1900 г.) Планк продемонстрировал вывод этой формулы, основанный на предположении, что энергия осциллятора есть целое кратное величины hv, где v - частота излучения, a h -- новая универсальная постоянная, названная Максом Планком элементарным квантом действия (сейчас - это постоянная Планка ). Введение этой величины было началом эпохи новой, квантовой физики.

Нильс Бор выдвинул предположение, что атом водорода (система протон-электрон) может находиться только в определенных стационарных энергетических состояниях (электрон - на определенных орбитах), причем одно из них соответствует минимуму энергии и является основным (невозбужденным). Испускание или поглощение атомом энергии может происходить, согласно теории Бора, только при переходах электрона из одного энергетического состояния в другое (с одной орбиты на другую).

На основании этого Бор сформулировал свои постулаты:

1. Электрон в атоме находится в «стационарном» состоянии (движется по стационарной орбите) и никакой энергии не излучает.

2. Будучи выведенным из стационарного состояния (переведенным на другую орбиту), электрон, возвращаясь, излучает квант света hn = Е2 - Е1.

3. Электрон в атоме может находиться только на тех «разрешенных» орбитах, для которых момент количества движения (mvr) принимает некие дискретные значения, а именно mvr = nh/2p , где n - целое число 1, 2, 3…

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 г. было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева.

Теория Бора позволяла очень точно вычислить положение линий в спектре испускания атомарного водорода. Однако она не могла предсказать соотношение интенсивностей линий даже в этой простейшей системе.

Для систем, содержащих более одного электрона, например атома гелия, теория Бора уже не давала точных значений спектральных линий.

Поэтому в 1923-26 г.г. Луи де Бройлем (Франция), Вернером Гейзенбергом (Германия) и Эрвином Шрёдингером (Австрия) была разработана новая теория квантовой (волновой) механики.

Блестящая идея, высказанная Гейзенбергом, состояла в том, чтобы рассматривать квантовые события как явления на совершенно ином уровне, чем в классической физике. Он подошел к ним как к явлениям, не допускающим точного наглядного представления, например с помощью картины вращающихся по орбитам электронов.

Через несколько месяцев Э.Шрёдингер предложил другую формулировку квантовой механики, описывающей эти явления на языке волновых понятий.

Подход Шрёдингера брал начало в работах Луи де Бройля, высказавшего гипотезу о так называемых волнах материи: подобно тому, как свет, традиционно считавшийся волнами, может обладать корпускулярными свойствами (фотоны или кванты излучения), частицы могут обладать волновыми свойствами. Позднее было доказано, что матричная и волновая механики, по существу, эквивалентны. Взятые вместе, они образуют то, что ныне называется квантовой механикой. Вскоре эта механика была расширена английским физиком-теоретиком XX века Полем Дираком (Нобелевская премия по физике, 1933), включившим в волновое уравнение элементы теории относительности Эйнштейна с учетом спина электрона.

В основе современной теории строения атома лежат следующие основные положения:

1). электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна. Подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом. В то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, т.е. например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона л и его скорость v связаны соотношением де Бройля:

л = h / mv,

где m - масса электрона;

2). для электрона невозможно одновременно точно, измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением принципа неопределенности служит соотношение: ?x•m•?v > ћ/2, где ?х - неопределенность положения координаты; ?v -- погрешность измерения скорости;

3). электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может

находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью;

4). ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название - нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

В 1932 г. наш отечественный физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг (Хайзенберг) независимо друг от друга высказали предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра.

Однако, протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Э. Резерфорд полагал, что нейтрон - это лишь сложное образование протона и электрона.

В 1933 г. Дмитрий Иваненко выступил с докладом о модели ядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идею о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы должны обладать одинаковой степенью элементарности, т.е. и нейтрон, и протон способны переходить друг в друга.

В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.

В настоящее время существует гипотеза о делимости ряда элементарных частиц на субчастицы кварки.

Кварки - это гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны).

Гипотеза о существовании кварков была высказана в 1964 г. независимо друг от друга американским физиком Мари Гелл-Манном и австрийским (а впоследствии американским) ученым Георгом (Джорджем) Цвейгом с целью объяснения закономерностей, установленных для адронов.

Кстати, у термина «кварк» нет точного перевода. Он имеет чисто литературное происхождение: был заимствован Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где означал «нечто неопределенное», «мистическое». Такое название для частиц, очевидно, было выбрано потому, что кварки проявляли ряд необычных свойств, выделяющих их из всех известных элементарных частиц (например, дробный электрический заряд) [18].

На рисунке 4 изображена современная модель строения атома.

Рис. 4. Современная модель строения атома.

Итак, атомы состоят из трех видов элементарных частиц. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг него быстро вращаются электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Масса протона примерно равна массе нейтрона. Масса электрона гораздо меньше их масс (1836 раз).

2. Действие радиации на клетку, пост радиационное восстановление клетки

Радиация - излучение энергии в виде частиц или электромагнитных волн. При превращениях радиоактивных ядер возникают различные виды излучения: альфа-, бета-, гамма- излучение, рентгеновское излучение, нейтроны, тяжёлые ионы. При взаимодействии с веществом энергия излучения передаётся атомам и молекулам, превращая их в заряженные частицы - ионы.

В результате ионизации разрываются химические связи молекул, составляющих живые организмы, и тем самым вызываются биологически важные (соматические и генетические) изменения.

Радиоактивность измеряют числом распадов в секунду любого радиоактивного ядра, называемого радионуклидом. Единицей радиоактивности (количества радиоактивных веществ) являются Беккерель (Бк) и Кюри (Ки) = 3.7Ч1010 Бк. Один Беккерель соответствует одному распаду в секунду.

Поглощенная доза - величина, которая характеризует результат взаимодействия радиации со средой, на которую она воздействует. Применительно к человеку и живой природе поглощенная доза является основной мерой воздействия радиации.

Между поглощенной дозой и вызываемым ею биологическим эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше соответствующий эффект. Поглощенная доза - энергия

Единицей поглощенной дозы является Грей (Гр), представляющий собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенного единицей массы какого-либо физического тела.

С биологической точки зрения важно не только количество излучения, а также и его тип. Однако, поглощенная доза не учитывает специфику взаимодействия излучений различного типа с тканями живого организма, а также индивидуальную чувствительность отдельных органов.

Поэтому, в применении к оценке радиационного воздействия на организм дополнительно введены единицы эквивалентной дозы иэффективной дозы.

Эквивалентная доза равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма.Единицей измерения эквивалентной и эффективной дозы является Зиверт (Зв), - представляющий собой поглощенную дозу в Гр, умноженную на соответствующие коэффициенты.

Наиболее важная особенность ионизирующих излучений - избирательность их действия, определяемая не столько характеристиками самих лучей, сколько свойствами тех или иных клеток, т.е. их чувствительностью к излучению - радиочувствительностью. Клетки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к размножению и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т.е. чем они менее дифференцированы.

Установлено, что биологическое действие ионизирующих излучений может быть смертельно для любого живого объекта. Однако дозы излучения, приводящие разные объекты к гибели, отличаются друг от друга в очень широких пределах, даже на несколько порядков.

Иными словами, каждому биологическому объекту (клеткам, тканям, органам или организмам) свойственна своя мера восприимчивости к воздействию ионизирующей радиации, своя видовая радиочувствительность.

Степень радиочувствительности сильно варьирует и в пределах одного вида, к тому же зависит от возраста и пола. Кроме того, даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности.

Наряду с радиочувствительными (кроветворная система, эпителий слизистой тонного кишечника) имеются радиоустойчивые ткани (мышечная, нервная, костная), которые принято называть радиорезистентными.

Ионизирующие излучения получили своё название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Элементарный акт взаимодействия излучения с веществом - поглощение энергии кванта атомом или молекулой, приводящее к высвобождению электрона - ионизации.

Ионизирующие излучения подразделяются по своей природе на электромагнитные и корпускулярные. Электромагнитные излучения - это рентгеновское излучение и радиоактивных элементов.

Видимый свет и радиоволны - тоже электромагнитные излучения, но они не ионизируют, так как характеризуются большей длиной волны и соответственно меньшей энергией, передаваемой атомам, которая недостаточна для отрыва электрона.

Все остальные виды ионизирующих излучений имеют корпускулярную природу. К корпускулярным излучениям относятся в-частицы, б-частицы, ускоренные ионы и р-мезоны и нейтральные частицы.

Ионизацию атомов и молекул в радиобиологии рассматривают как «прямое» действие радиации. Его результатом является изменение макромолекул, в первую очередь такой громадной структуры, как ДНК, а также образование нескольких высокореакционных продуктов из молекул воды, составляющей основную массу клетки. Продукты радиолиза воды реагируют как между собой, так и с органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их молекулы.

Этот путь лучевого поражения жизненно-важных структур клетки носит в радиобиологии название косвенного механизма действия излучения. Таким образом, под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате утери или приобретения электрона самими рассматриваемыми молекулами. Под косвенным действием понимают изменение этих молекул, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) окружающей эти молекулы воды и растворенных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излучения, поглощённой самими исследуемыми молекулами. При этом при «прямое» действие излучения ответственно за 10-20% лучевого поражения, когда «косвенное» действие радиации ответственно за 80-90% лучевого поражения.



При облучении клетки ионизирующим излучением поражаются все её структуры. Вероятность поражения тех или иных молекул определяется их размером: чем крупнее молекула, тем, естественно, больше вероятность её повреждения. Именно поэтому в качестве основной «мишени» радиационного поражения клетки рассматривается ДНК.

В результате прямой ионизации самой молекулы ДНК и её атаки радикалами OH^? происходит разрыв химических связей между атомами. Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете нарушает непрерывность нити ДНК. Если разорвана одна из нитей, 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 её разрыва. Предполагается, однако, что при облучении возникают не только одиночные разрывы, аналогичные возникающим спонтанно, но ещё появляются «комплексные», при которых в скелете ДНК рядом находится сразу несколько разорванных связей; такие разрывы репарируются хуже, чем возникающие в нормальных условиях.

Двойные разрывы образуются как при случайном пространственном совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях ДНК (вероятность которого возрастает с увеличением накопленной дозы редкоионизирующего излучения), так и вследствие одномоментного повреждения обеих нитей при выделении в данном микрообъёме клетки большого количества энергии. Даже при действии редкоионизирующих излучений выделение энергии по объёму клетки происходит не абсолютно равномерно, а дискретными порциями разной величины, так что в примерно равном объёме атомам может быть передано от нескольких электрон-вольт до нескольких сот электрон-вольт. При действии плотных связей будет таким же, однако они будут менее равномерно распределены мо длине молекулы ДНК. Общее число очагов поражения будет меньшим, зато «тяжесть» (концентрация разорванных межатомных связей на единицу микрообъёма) каждого из них будет больше. Таким образом, при действии плотноионизирющих излучений число двойных разрывов на единицу дозы оказывается выше, чем при действии редкоионизирюущих видов радиации. Так как одиночные разрывы репарируются гораздо лучше, чем двойные, тяжесть поражения клетки с увеличением доли двойных разрывов возрастает. Именно это и служит причиной более высокой относительной биологической эффективности плотноионизирующих излучений.

Разрыв межатомных связей в сахаро-фосфатном скелете ведёт к нарушению непрерывности молекулы ДНК, что препятствует считыванию с неё 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.

Если в молекуле дезоксирибозы разорвана одна из связей, не участвующих в построении скелета ДНК, то принято говорить о повреждении нуклеотида, а если в нуклеотиде повреждена одна из связей в пуриновом или пиримидиновом основании, то говорится о повреждении основания (а не нуклеотида, хотя основание является частью нуклеотида). Поврежденные основания и нуклеотиды подвергаются дальнейшим химическим изменениям. Примером является окисление гуанина до 8-оксогуанина. Атака ДНК высокоактивными радикалами воды приводит к модификации оснований, например, присоединение радикала OH к тимину превращает его в тимингликол.

Разрывы скелета ДНК частично элиминируются самостоятельно, частично с помощью систем ферментативной репарации. 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. Разрывы молекулы ДНК и окружающих её белков при неправильном воссоединении приводят к образованию ДНК-белколвых сшивок.

Неверная репарация оснований, а так же их химическая модификация ведёт к ещё одному дефекту молекулы - появлению так называемых неспаренных оснований. В молекуле ДНК в норме существуют только две пары коплементарных оснований - аденин-тимин и гуанин-цитозин. Замена одного из оснований каждой пары ведёт к изменению генетического кода. Выше говорилось о появлении в молекуле 8-оксогуанина вследствие окисления гуанина. Во время репликации ДНК в синтезируемой цепи вместо комплементарного к гуанину цитозина напротив 8-оксогуанина будет вставлен аденин. При синтезе информационной РНК неверное основание приведёт 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 общее количество дефектов, так и создаёт 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 её потомков и злокачественного перерождения, а в случае воздействия на половые клетки - и генетических последствий облучения родителей для потомства.

Радиационные нарушения ДНК столь многообразны по своей природе и величине, что на клеточном уровне они проявляются в самые разные сроки, начиная от нескольких часов и кончая многими годами после воздействия. Проявляются они в задержке клеточного деления.

Снижение числа делящихся клеток после облучения было замечено уже вскоре после открытия рентгеновских лучей, что и послужило одним из оснований к их применению для подавления опухолевого роста. Задержка в наступлении очередного деления наблюдается почти у всех клеток облучаемой популяции, причём её длительность зависит от дозы ионизирующего излучения.

После было установлено, что длительность задержки деления у некоторых видов клеток меняется в зависимости от стадии клеточного цикла, в которой они находились при облучении, у других она относительно постоянна при облучении во время всей интерфазы.

Пока известны только отдельные факторы, ответственные за задержку в прохождении клеточного цикла. Раньше считалось, что задержка в продвижении по циклу даёт клетке больше времени для репарации ДНК перед S-фазой или митозом, когда целостность молекулы ДНК особенно значима для нормальной жизнедеятельности. Однако данные о более длительной задержке в наступлении митоза у погибающих впоследствии клеток по сравнению с сохраняющими клоногенный потенциал указывают, по-видимому, на более глубокое повреждение ДНК данной клетки.

Причины значительной задержки деления у клеток, облученных в середине S-фазы, неясны. Высказано лишь предположение, что она может быть связана с переходом клетки от репликации эухроматина к репликации гетерохроматина. Однако изучению дифференциальной чувствительности эу- и гетерохроматиа к облучению ещё только начинают уделять внимание, и данное предположение лишь указывает на то, что этот вопрос поднимается в литературе.

В практическом плане, например, при планировании экспериментов с определением хромосомных аберраций в облученных клетках и выборе времени их фиксации, упрощённо принимается, что для асинхронной популяции нелифоидных клеток задержка в наступлении митозов составляет 1 ч на 1 Гр дозы излучения.

Хромосомные аберрации (перестройки) являются классическим проявлением лучевого поражения клеток. Их появление было обнаружено уже на заре радиобиологических исследований, и их количество соответствует дозе облучения, что используется при биологической дозиметрии.

Появление аберраций отражает образование разрывов молекулы ДНК и дефекты её репарации. Разрывы приводят к фрагментации хромосомы. Под фрагментом понимают ту часть хромосомы, которая не связана с центромерой. Этот фрагмент не притягивается к полюсу деления, иными словами, - к месту, где будет формироваться ядро будущей дочерней клетки. Фрагменты хорошо видны во время метафазы и особенно анафазы, когда все хромосомы притянуты нитями веретена к полюсам деления, а фрагменты остаются посередине клетки. После завершения деления клетки, т.е. в интерфазе, фрагменты проявляются как микроядра - участки конденсированной ДНК, в то время как почти вся остальная ДНК переходит в деконденсированное состояние.

Рис.6

Возникающие в клетке аберрации подразделяют на хромосомные и хроматидные. Хромосомные аберрации возникают в случае, когда клетка подверглась облучению в предсинтетической стадии цикла или в S-периоде, но до начала удвоения определённого 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 метафазных пластинок облученных и необлученных лимфоцитов. Обмен фрагментами между хромосомами проявляется в виде реципрокных транслокаций.

Хроматидные аберрации возникают в клетке, облученной уже после завершения репликации всей ДНК или того её участка, разрыв которого приведёт к формированию аберрации. Разрыв одной из хроматид проявится в виде её 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 или соединением сестринских хроматид. Кольцевые хромосомы, не содержащие центромер, появляются в результате внутриплечевого обмена, происходящего на фоне так называемой интерстициальной делеции (вырезания участка хромосомы внутри плеча с последующим соединением концов интерстициального фрагмента).

Вследствие взаимного притяжения сестринских хроматид оба кольца обычно лежат рядом и с наложением одного на другое.

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 её ближайших потомков из-за невозможности равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.

Перестройки, сопровождающиеся только перемещением участков поражённых хромосом, когда весь генетический материал остаётся связанным с центромерой и может распределяться между дочерними клетками, относят к стабильным перестройкам, так как они могут передаваться в ряду клеточных поколений, сохраняясь в организме в течение многих лет. Примером являются транслокации, когда участок генома перемещается в новое для него место, но продолжает функционировать. Их изучение стало возможным благодаря разработке методов дифференцированной окраски отдельных участков хромосом. Такие методы позволяют обнаруживать, например, симметричные обмены и инверсии в клетках лиц, подвергшихся облучению более 50 лет тому назад в результате атомных взрывов и радиационных аварий

Из ацентрических фрагментов хромосом, которые из-за отсутствия центромер не были распределены по ядрам дочерних клеток и остались в цитоплазме, образуются так называемые микроядра, представляющие собой глыбки хроматина, располагающиеся в цитоплазме интерфазной клетки. Количество микроядер на клетку коррелирует с дозой излучения и также как хромосомные аберрации используется в качестве показателя для целей «биологической» дозиметрии.

Остановимся теперь на характере гибели клеток, проявляющиеся в снижении их клоногенного потенциала. Её принято подразделять на два вида - апоптоз и некроз.

Апоптоз при наблюдении за клетками в культуре с помощью фазоконтрастной оптики проявляется в виде нескольких последовательных стадий: ошаривании клетки, выпячивании из этого шара участков цитоплазмы, так называемых блебов (пузырей), их полном исчезновении, прекращении движения цитоплазмы, изменении светопреломления и распаде клетки на «апоптотические тельца». Апоптотические тельца представляют небольшие сферические образования, окружённые остатками клеточной мембраны и содержащие фрагменты ДНК, а также интактные клеточные органеллы. Апоптотические тельца in virto полностью распадаются, а in vivo утилизируются окружающими клетками, а также макрофагами.

Гибель клеток по некротическому пути начинается с увеличения объёма клетки и разрыва клеточной мембраны. Ядро клетки сразу окрашивается йодидом пропидия. Разрыв мембраны происходит без ошаривания клетки. Предполагается, что именно рано наступающее нарушение целостности клеточной мембраны приводит к выходу цитоплазматического материала во внеклеточное пространство, из-за которого в организме развивается воспалительная реакция.

Клетки могут значительно различаться по времени гибели после облучения. Лимфоциты периферической крови, а также некоторые клетки лимфоидного происхождения погибают в первые часы после облучения, не доходя до деления. Большинство других клеток погибает в течение нескольких дней после облучения, при этом некоторые их них проходят несколько делений, так что погибают «внуки», «правнуки» и т.д. облучённой клетки.

Ранее было принято подразделять гибель клетки на два варианта - интерфазную, под которой понимали гибель клетки в интерфазе до вступления её в первый постлучевой митоз, и репродуктивную, происходящую в момент деления. Интерфазную гибель связывали с особо высокой радиочувствительностью клеток, которая свойственна клеткам лимфоидного происхождения. Считалось, что по репродуктивному механизму погибают клетки иного происхождения. В последующем интерфазную гибель до вступления клетки в первый митоз стали связывать уже не только с временным фактором, но и с определённым механизмом гибели, а именно с апоптозом. Репродуктивную гибель связывали с некротическим путём развития лучевого поражения, обусловенными утратой генетического материала в процессе деления клетки.

Гибели клеток предшествуют различные изменения в их поведении, одним из которых является появление гигантских клеток, в качестве критерия образования которых некоторые авторы установили 15-кратное увеличение занимаемой клеткой площади подложки (ясно, что этот критерий выбран произвольно). Во многих клеточных культурах всегда присутствуют гигантские клетки, но их число обычно не превышает 1-2%, в то время как после облучения оно возрастает в несколько раз. Различают два пути образования гигантских клеток - увеличением массы неделящейся клетки, в том числе происходящем при делении ядер без деления самой клетки, но чаще путём слияния потомков только что разделившейся клетки. У облучённых клеток бывает не только два, но и большее число «потомков» - у них нередко происходит мультиполярное деление, когда клетка делится на три и большее число частей.

Ещё одним проявлением лучевого поражения клетки является «генетическая нестабильность», под которой понимается длительнаое сохранение отклонений в строении и функционировании генетического аппарата, в конечном счёте, ДНК-белкового комплекса. Впервые это явление было обнаружено как сохраняющаяся в течение 12-25 поколений повышенная (10^-6) частота трансформации мышиных клеток C3H ^? 10T^1/2 после однократного рентгеновского облучения. При облучении клеток китайского хомячка линии CHO повышенный уровень мутагенеза выявлялся на протяжении минимум 30 генераций у 10% клеток, переживших облучение. В облученных лимфоцитах повышенная частота хромосомных перестроек зарегистрирована после 10 делений.

Механизмы индукции и поддержания генетической нестабильности не ясны. Имеются данные как о роли прямого поражения ДНК, так и о влиянии на генетическую нестабильность изменённого клеточного метаболизма, хотя в этом случае не ясно, передаются ли эти изменения от клетки к клетке каким-то цитоплазматическим фактором или существенную роли играю изменения генетической информации, записанной в ДНК.

А.И. Газиев и др. исследовали методом полимеразной цепной реакции с произвольно выбранным праймером ДНК, выделенную из ткани самцов мышей до облучения, и ДНК, выделенную из тканей их потомков первого поколения. Облучение отца в дозе 10 и 50 сГр при мощности дозы 1 сГр/мин привело к увеличению в ДНК потомства числа так называемых «неродительских полос» соответственно на 13 и 47% по сравнению с тканями необлучённых животных.

Пострадиационное восстановление -- ликвидация повреждения, вызванного воздействием ионизирующего излучения.

Открытие феномена пострадиационного восстановления и изучение его механизмов связано с именами советских исследователей Н.В. Лучника (1951), В.Л. Корогодина (1956) и амер. ученого Элкинда (М. Elkind, 1959).

Пострадиационное восстановление проявляется на различных уровнях биологической организации от молекулярного до организменного. В его основе лежат физиологические процессы, направленные на обеспечение стабильности генетического материала и клеточного обновления жизненно важных систем. Пострадиационное восстановление , протекающее в облученных клетках без их деления (внутриклеточное восстановление), обозначают термином «репарация». В клетках облученного организма происходит репарация сублетальных и потенциально летальных повреждений. Репарация сублетальных повреждений характерна для активно пролиферирующих клеток, например клеток костного мозга и эпителия кишечника. При таком типе пострадиационного восстановления в первые несколько часов после облучения репарируются повреждения, делающие клетку более чувствительной к повторному облучению. Репарация сублетальных повреждений обычно бывает полной и завершается до вступления облученных клеток в период синтеза ДНК.

Репарация потенциально летальных повреждений характерна для клеток, находящихся в фазе временного или постоянного пролиферативного покоя, например для клеток печени, почек, головного мозга. В этом случае выживаемость клеток возрастает с увеличением временного интервала между облучением и воздействием стимула к клеточной пролиферации или при снижении мощности дозы излучения (см. Доза ионизирующею излучения). Репарация потенциально летальных повреждений обычно не является полной, часть популяции представляют клетки, потерявшие способность к «бесконечному» размножению и отмирающие после одного или нескольких делений.

Оба типа клеточной репарации значительно более выражены при действии редкоионизирующего излучения, чем плотноионизирующего (см. Ионизирующие излучения).

Многообразие процессов П. в обусловлено как многочисленностью возникающих радиационных повреждений, так и использованием различных показателей -- повреждений ДНК, хромосом и целых клеток. Кроме того, доказано, что различные репаративные процессы, разделенные по скорости их молекулярных проявлений, протекают параллельно. Соответствующие типы репарации могут быть полностью или частично завершенными; кроме того, в ряде случаев репарация протекает как «ошибочная». Доказан генетический контроль различных этапов репаративных процессов. В процессах репарации принимают участие многочисленные ферменты -- ДНК-полимеразы, рестриктазы, лигазы и др.

На клеточном уровне может быть восстановлена большая чисть повреждений молекул-мишеней. Так, например, при облучении в дозе 1 Гр в клетках млекопитающих в среднем образуется около 1000 одиночных разрывов ДНК, 100 двойных разрывов и 1500 испорченных её оснований, которые реализуются затем всего в 1 хромосомную аберрацию обменного типа, т.е. до 99,9% молекулярных повреждений ДНК могут быть восстановлены. Однако из-за стохастического (вероятностного) характера нанесения различных повреждений и невозможностью 100% репарации в каждой клетке или ее генетической структуре, даже при самой низкой дозе излучения, существует некоторая вероятность летального повреждения или индуцирования мутаций.

Пострадиационное восстановление тканей облученного организма включает как внутриклеточное восстановление, так и размножение выживших клеток, замещающих погибшие. При этом в критических органах и системах клеточного обновления (см. Лучевая болезнь), определяющих выживаемость организма (костный мозг и кишечный эпителий), решающее значение имеет размножение стволовых клеток и их потомков. Стволовые клетки за счет быстрой пролиферации и дифференцировки способны достаточно быстро (к концу проявлений острого лучевого синдрома) полностью восстановить клеточный состав критических органов. Поэтому восстановившиеся после облучения стволовые клетки являются как бы детерминантами лучевой реакции систем клеточного обновления. При облучении в больших дозах и значительном истощении пула стволовых клеток клеточная система не способна восстановиться, и определяет исход острого, или позднего лучевого поражения.

В органах и системах, в которых клеточное обновление происходит медленно (стационарные системы), а у взрослых практически отсутствует, результат лучевого поражения по завершении репарации потенциально летальных поражений зависит от степени повреждения эндотелия сосудов. В результате развивающихся нарушений микроциркуляции происходит снижение общей клеточности и функциональных возможностей тканей. Такую постепенно реализующуюся реакцию на действие облучения рассматривают как проявление необратимого компонента радиационного поражения на тканевом уровне. Он появляется в отдаленные сроки после облучения и в системах быстрого клеточного обновления. В данном случае он может быть связан не только с уменьшением пролиферативного потенциала стволовых клеток (из-за дополнительной пролиферации при восстановлении клеточности системы в острый период лучевого поражения), но и с истощением медленно обновляющейся стромы (в результате повреждения микроциркуляции, обновления фибробластов и др.).

Феномен пострадиационного восстановления учитывается при разработке средств профилактики и лечения радиационных поражений, направленных на стимулирование процессов восстановления прежде всего в критических органах и системах (см. Радиомодифицирующие агенты). Существенное значение проблема пострадиационного восстановления приобретает при лучевой терапии злокачественных новообразований (см. Радиобиология, клиническая радиобиология).

Некоторые типы опухолей (например, меланома, саркома) являются радиорезистентными (см. Радиочувствительность) из-за способности их клеток к пострадиационному восстановлению . Кроме того, в абсолютном большинстве опухолей из-за недостаточности их васкуляризации имеются гипоксические клетки, многие из которых временно находятся в состоянии пролиферативного покоя. Такие клетки после облучения способны к репарации потенциально летальных повреждений, а хорошо оксигенированные и пролиферирующие клетки опухоли репарируют сублетальные повреждения. Поэтому для избирательного повышения радиочувствительности опухоли в процессе лучевой терапии используют химические и физические радиомодифицирующие агенты, подавляющие пострадиационное восстановление (гипертермию, препараты, связывающиеся с ДНК, кислород под давлением, электроноакцепторные соединения и др.). С этой же целью применяют схемы и виды облучения, при которых реализуются различия в скорости пострадиационного восстановления в опухоли и нормальных тканях (многократное облучение в течение суток небольшими дозами, длительное внутритканевое облучение, применение плотноионизирующих излучений и др.)

3. Радиационная токсикология, параметры, характеризующие Р.В. как токсикологические агенты

Радиационная токсикология изучает распределение, кинетику обмена и биологическое действие радиоактивных изотопов. Эти сведения на практике используются для установления и оценки предельно допустимых уровней содержания и поступления радиоактивных изотопов в организме воздухом, водой и пищей.

Облучение при попадании радиоактивных изотопов внутрь организма продолжается непрерывно, пока изотоп полностью не распадется или не будет выведен из организма. Иногда облучение длится годами или даже в течение всей жизни пострадавшего. При этом чаще всего наблюдается преимущественное облучение отдельных органов и систем организма.

Степень токсичности и специфика биологического действия радиоактивного изотопа определяется его физическими (вид и энергия излучения, период полураспада, доза излучателя), химическими (форма вводимого соединения, растворимость при рН тканей и органов, степень сродства к тканевым структурам) и физиологическими (путь поступления, величина и скорость всасывания радионуклида из депо, характер и тип распределения, скорость выведения из организма) свойствами, а также степенью радиочувствительности изучаемого объекта.

Биологически активные количества большинства радиоактивных изотопов имеют ничтожный вес. Количество Sr90, соответствующее 1 кюри, весит 6,9·10-3 г, а предельно допустимая доза (2 мккюри) -- всего 1,4·10-8 г. Поражающее действие радиоактивных изотопов вызывается не их химическими свойствами, а излучением при распаде. Лишь у очень медленно распадающихся радиоактивных изотопов (U238, Th232 и др.) на первый план выступает не радиационная, а химическая токсичность. Радиоактивные изотопы могут поступать в организм через легкие (вдыхание аэрозолей, паров, дыма), желудочно-кишечный тракт (с водой и продуктами питания), кожу и раны. Для диагностики и терапии, помимо перечисленных, используют подкожное, внутримышечное, внутрибрюшинное и внутритканевое введение изотопов.

При вдыхании радиоактивные аэрозоли, проходя через дыхательные пути, частично оседают в носоглотке и полости рта и оттуда возможно их попадание в пищеварительный тракт; определенного размера частицы и газы попадают в легкие. В результате деятельности мерцательного эпителия некоторая доля частиц удаляется из дыхательных путей и тоже вследствие заглатывания поступает в желудочно-кишечный тракт.

Степень проникновения, величина и продолжительность задержки аэрозолей в легких зависят от их заряда, размера частиц и свойств ингалируемого соединения. В случае ингаляции плохо растворимых соединений при условиях, оптимальных для задержки аэрозолей в легких (размер частиц >0,5?2 мк), около 25% радиоактивного вещества немедленно удаляется с выдыхаемым воздухом, 50% задерживается в верхних дыхательных путях и удаляется в течение нескольких часов в результате деятельности мерцательного эпителия. Из 25% аэрозолей, проникших в нижние дыхательные пути, 10% довольно быстро, также благодаря деятельности мерцательного эпителия, удаляются из легких, попадают в ротовую полость и заглатываются.

Оставшиеся 15% медленно исчезают из легких. Большая часть остающейся активности задерживается в легких или фагоцитируется и попадает в лимфатические узлы легких, где прочно фиксируется. Вследствие этого, а также малого объема лимфатических узлов по сравнению с массой легких концентрация плохо растворимых радиоактивных аэрозолей в лимфатических узлах в поздние сроки после вдыхания изотопа может в 100--1000 раз превышать таковую в легких. Хорошо растворимые соединения радиоактивных веществ быстро всасываются из легких и в зависимости от своих свойств различным образом распределяются в организме. Всасывание радиоактивных изотопов из желудочно-кишечного тракта зависит от химических свойств вводимого соединения и физиологического состояния организма. За редким исключением (окись трития) радиоактивные изотопы плохо всасываются через неповрежденную кожу.

...