Биохимические изменения в клетке
Различные виды ионизирующего излучения, в частности рентгеновы и гамма-лучи, могут вызывать ионизацию как молекул сложных органических и неорганических веществ, так и молекул растворителей, например воды. Так как все жизненные процессы протекают в водной среде, а живые ткани содержат по весу до 70-80% воды, возможность ионизации ее молекул под действием излучения приобретает важное биологическое значение и является причиной ряда изменений в клетках, развивающихся в результате воздействия энергии излучения на молекулы воды.
Также влияние излучения заключается в том, что энергия рентгеновых и гамма-лучей частично поглощается молекулами облучаемого вещества, которые приходят при этом в так называемое "возбужденное" состояние, то есть обладают большим запасом энергии. В результате этого создаются условия для протекания в облучаемой среде химических реакций, которые в обычных условиях протекают либо с очень незначительной скоростью, либо совсем не происходят. Таким образом, активирование молекул различных сложных химических соединений лучистой энергией может привести к глубоким изменениям химического характера, развивающимся в облученной клетке.
Образующиеся в тканях токсические продукты воздействуют, прежде всего, на различные биологически активные белковые соединения и отдельные, важные в функциональном отношении химические группы, входящие в состав молекулы белка - сульфгидрильные, карбоксильные, гидроксильные и другие. Особенно легко изменяются под влиянием окислителей сульфгидрильные группы SH, входящие в молекулу аминокислоты цистеина. Инактивирование сульфгидрильных групп цистеина, который в свою очередь входит в состав молекул различных ферментов, приводит к инактивации самих молекул ферментов. Следствием этого могут явиться серьезные нарушения обменных процессов в облученных тканях. Таким образом, казалось бы, небольшая степень ионизации, которая не может вызвать гибели клетки по размерам непосредственных первичных изменений, может привести к значительным сдвигам, если она затронула молекулу фермента.
При облучении клетки поражаются все ее структуры. Вероятность поражения тех или иных молекул определяется их размером: чем крупнее молекула, тем больше вероятность ее повреждения. Именно по этому в качестве основной мишени радиационного поражения клетки рассматривается дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).
В результате прямой ионизации самой молекулы ДНК происходит разрыв химических связей между атомами. Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете нарушает непрерывность нити ДНК. Если разорвана одна из нитей, то 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 ее разрыва. Предполагается, что при облучении возникают не только одиночные разрывы, аналогичные возникающим спонтанно, но еще появляются "комплексные", при которых в скелете ДНК рядом находится сразу несколько разорванных связей. Такие разрывы репарируются хуже, чем возникающие в нормальных условиях.
Двойные разрывы как при случайном пространственном совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях ДНК, так и вследствие одномоментного повреждения обеих нитей при выделении в данном микрообъеме клетки большого количества энергии. Даже при действии редкоионизирующих излучений выделение энергии по объему клетки происходит не абсолютно равномерно, а дискретными порциями разной величины, так что в примерно равном объеме атомам может быть передано несколько электрон-вольт до нескольких сот электрон-вольт. При действии плотноионизирующих излучений общее число разорванных межатомных связей будет таким же, однако они будут менее равномерно распределены по длине молекулы ДНК. Общее число очагов поражения будет меньшим, зато "тяжесть" (концентрация разорванных межатомных связей на единицу микрообъема) каждого из них будет больше. Таким образом, при действии плотноионизирующих излучений число двойных разрывов на единицу дозы оказывается выше, чем при действии редкоионизирующих видов радиации. Так как одиночные разрывы репарируются гораздо лучше, чем двойные, тяжесть поражения клетки с увеличением доли двойных разрывов возрастает.
Разрыв межатомных связей в сахарно-фосфатном скелете ведет к нарушению непрерывности молекулы ДНК, что препятствует считыванию с нее 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. Повреждение основания и нуклеотиды подвергается дальнейшим химическим изменениям. Примером является окисление гуанина до 8-оксогуанина. Атака ДНК высокоактивными радикалами приводит к модификации оснований, например, присоединение радикала ОН к тимину превращает его в тимингликол.