a1.gif (1118 bytes)
a.gif (150 bytes) 1.gif (544 bytes)
  2.gif (445 bytes)
  3.gif (438 bytes)
  4.gif (570 bytes)
  5.gif (769 bytes)
  6.gif (515 bytes)
  7.gif (501 bytes)
  8.gif (450 bytes)

ГЛАВА 4

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ КАТАСТРОФЫ

4.1. Особенности биологических эффектов радиации низкой эффективности
Установлено, что радиация в достаточно больших дозах оказывает повреждающее действие на живые системы (ЖС) различного уровня организации. Небольшие же дозы радиации, как полагали (и считают до настоящего времени некоторые исследователи), не вызывают поражений, оказывают стимулирующие биологические эффекты (БЭ), либо организмы, находясь достаточно длительное время в радиационном поле, адаптируются к новым условиям существования без проявлений каких-либо нефизиологических изменений или фатальных отдаленных последствий. Таким образом, предполагается существование порога вредного действия радиации на здоровье. В пользу этого положения говорят данные об отсутствии неблагоприятных изменений у животных и человека, обитающих в условиях постоянного повышенного фона радиации и дополнительной добавки к нему излучений от искусственных источников, а- также большая практика относительно безвредного применения рентгеновских диагностических мероприятий.
Анализ результатов многочисленных исследований показывает, что риск проявления отрицательных отдаленных последствий облучения радиации низкой интенсивности в области величины доз, находящихся ниже предполагаемого порога вредного действия и считавшихся безопасными, возрастает на несколько порядков по сравнению с ожидаемыми результатами при экстраполяции БЭ из области больших доз излучений высокого уровня.
По современным представлениям все виды радиации, независимо от природы, в конечном итоге разменивают свою энергию, взаимодействуя с электронной оболочкой .атомов, и приводят, таким образом, к их ионизации и возбуждению. Существенное отличие действия различных видов радиации заключается лишь в плотности распределения энергии в единице объема. Так, бета-частицы, или электроны, образованные R- или гамма-квантами, приводят к низкой, а альфа-частицы - к очень высокой плотности ионизации. В зависимости от этого количество взаимодействий в данной области, где возможно наличие чувствительных мишеней, БЭ имеют существенные количественные отличия.
Повреждение биологически важных структур клетки на физико-химическом этапе действия радиации может быть реализовано двумя способами. В первом способе электроны, образовавшиеся в процессе размена энергии, как правило, приводят к разрыву молекулярных связей той структуры, которая является мишенью. Благодаря этому возникают одно- и двунитевые разрывы молекул ДНК, с определенной вероятностью детерминирующие необратимые повреждения в геноме клетки. Такого рода повреждения линейно зависят от плотности ионизации, дозы излучения, типичны для средних и высоких значений доз и имеют порог действия, величина которого определяется степенью надежности данной ЖС, в первую очередь состоянием ее репаративных систем, и составляет 10 - 100 сГр.
Однако при определенных обстоятельствах более опасным по удельному вкладу может оказаться второй способ взаимодействия ионизирующей радиации с ЖС, при котором повреждение биологических структур происходит за счет очень реакционно-способных химических агентов, образующихся в местах размена энергии частицы или кванта, способных мигрировать на значительные расстояния и приводить к повреждению структур-мишеней. Одним из основных активных химических групп, количество которых значительно увеличивается при взаимодействии радиации с ЖС, являются свободные радикалы (СР) кислорода (супероксидный анион -· O2 -, гидроксильный анион -· OH-, другие радикалы - · Н-, · Н2О+, · ОН, · О) и Н2О2 .Наиболее реакционно-способными из них являются · O2 -, · OH-и Н2О2. СР в небольших количествах образуются и при физиологических процессах в ходе энзиматических реакций, выступают в качестве активаторов клеточной пролиферации, митогенеза, дифференциации, участвуют в синтезе простагландинов, лейкотропинов. От содержания некоторых из них зависят физиологическая активность клеток и другие функции. В то же время благодаря высокой химической активности СР при определенных условиях легко вступают в реакции с основными биологическими соединениями, нарушая их структуру и функции.
Наибольшего внимания заслуживает радикал · O2 -. Он образуется при захвате электрона молекулой растворенного в среде кислорода и может возникать при неферментативном окислении катехоламинов, тиолов, гидрохинона, ферредоксина и ферментативных процессах, катализируемых альдегидоксидазой, ксантиноксидазой, дигидрооротатоксидазой и др. · O2 -возникает также в системе НАДФН - цитохром С. · O2 -высокотоксичен, его химическая агрессивность выше в гидрофобной фазе, чем в водной, поэтому его повреждающее действие, как предполагается, особенно существенно в гидрофобных зонах мембранных комплексов. При участии супероксиддисмутазы (СОД) радикалы · O2 --дисмутируют до Н2О и О2.
Гидроксильные радикалы · OH-инициируются в живых системах при действии ионизирующей радиации в значительных количествах, они проявляют большое сродство к электрону. Полагают, что радикал · OH-является одним из основных агентов свободнорадикальных процессов окисления липидов (СРПОЛ).
Н2О2образуется в значительных количествах в ходе химических реакций, инициируемых радиацией, диффундирует на значительные расстояния, принимает активное участие в окислении органических молекул. В ЖС, подвергаемой облучению, очень вероятна реакция Хабера - Вайсса с большим выходом радикалов · OH-:
Н2О2+ · O2 -> · OH-+ · OH-+ О2
Н2О2и образовавшиеся СР вызывают повреждения всех биологических молекул: разрывы в ДНК, окисление SH-групп, сшивки полипептидных цепей в белках, инактивацию ферментов, полимеризацию углеводов. И, пожалуй, наиболее трагичным для судьбы клетки процессом является инициирование ими цепей СРПОЛ.
Нормально функционирующие ЖС обладают эффективными средствами защиты от СР. Первая из них - металлоферментные системы - СОД, глютатионпероксидаза и каталаза. СОД встречается в разных формах, активный центр каждой из ее субьединиц содержит атом меди, цинка или марганца, не участвующих в реакции, но стабилизирующих структуру фермента. Сu- и Zn-СОД локализованы в цитозоле и кристах митохондрий, Мn-СОД - в матриксе митохондрий. СОД в норме составляет почти 0,1 % общего белка протоплазмы, является специфическим инактиватором радикалов · O2 -. Каталаза локализована в основном в пероксисомах и содержит по одной группе гема. Глютатионпероксидаза содержит в активном центре селен и при участии глютатиона ускоряет разложение Н2O2.
Вторым эффективным средством защиты ЖС от СР являются антиоксиданты (АО), которые, легко окисляясь, инактивируют СР. Свойствами АО обладают вещества различной химической природы:
токоферол, каротин, глютатион, аскорбиновая кислота, цистеин, белки, содержащие SH-группы, и др. Защитным от активных СР свойством обладают также фосфолипиды мембранного комплекса, в основном за счет их ненасыщенных углеводородных связей.
В настоящее время установлены детерминированные связи между различными показателями интенсивности метаболизма, содержанием СР и активностью ферментов-детоксикаторов. В частности, показано, что при интенсивном развитии некоторых процессов указанные ферментные системы не справляются с инактивацией большого количества радикалов. Установлено исключительно важное значение СРПОЛ в повреждении клеток при действии различных физических, химических факторов и их роль в развитии патологических процессов в организме. Стало известным, что интенсификация СРПОЛ связана с уменьшением активности АО ферментов из-за их инактивации, которая может быть причинно обусловлена, в частности, ацидозом на начальном этапе повреждения клеток. При снижении, например, рН с 7,5 до 6,8 активность глютатионпероксидазы снижается в 10 раз. Установлено, что · O2 -- инактивирует каталазу, Н2О2 -СОД.
Таким образом, СР и инициируемые ими СРПОЛ - очень агрессивные агенты, которые повреждают биологически важные молекулы и структуры. При этом стабилизирующими защитными факторами выступают специализированные ферментные и АО системы. Описанные выше реакции с участием СР являются основными повреждающими факторами для клеточных мембран.
Анализ значительного количества литературных данных позволяет прийти к выводу о существенном значении непрямого механизма действия радиации низких интенсивностей. Особенности его заключаются в следующем. С уменьшением интенсивности (плотности) излучения вероятность повреждения клетки увеличивается, при этом механизме действия чувствительными мишенями являются мембраны.
Согласно этому, чем выше интенсивность излучения, тем выше плотность ионизации и тем меньше вероятность достижения образовавшимися активными СР чувствительных мишеней - мембран клетки. С одной стороны, известно, что чем выше плотность ионизации, тем больше актов рекомбинации СР. С другой стороны, плазматическая мембрана клетки обладает электрическим полем [132], притягивающим отрицательно заряженные СР. Показано, что с увеличением плотности радикалов величина электрического поля уменьшается [132].
Следовательно, при действии радиации высокой интенсивности создаются менее благоприятные условия для достижения СР чувствительных мишеней клетки, чем при радиации низкой, близкой к фоновой, интенсивности. Эффект различия наиболее ярко выражен при длительном действии радиации малой интенсивности.
Таким образом, длительное воздействие радиации низкой интенсивности при данной полной дозе До (До - величина дозы, при которой происходит удвоение средней нормы генетических дефектов - разрывов мембран или уровня других патологических процессов) представляет большую опасность для мембран, чем однократное облучение радиации большой интенсивности. Отсюда следует очень важный вывод о некорректности сравнения биологической эффективности различных по качеству видов радиации, исходя только из существования зависимости "доза-эффект", без учета интенсивности излучения. Повторяем, что речь идет о малых дозах радиации низкой интенсивности. При значительных дозах и высоком уровне радиации имеет место прямое повреждение генетических структур, а именно они преимущественно в этом случае являются чувствительными мишенями, эффект прямо пропорционален плотности ионизации.
Анализ с этой точки зрения результатов исследований показал, что чувствительность ЖС к действию радиации близких к фоновым интенсивностей резко увеличена, с дальнейшим ростом уровня излучения выходит на насыщение и, таким образом, проявляет логарифмическую зависимость. Это позволяет представить [133 - 135] объективную картину радиобиологических эффектов, имеющих место при воздействии на ЖС ионизирующей радиации широкого диапазона доз и интенсивностей.
Согласно этому, под влиянием ионизирующей радиации в любой ЖС одновременно реализуются оба механизма взаимодействия - прямой и непрямой, удельный вклад которых в суммарный БЭ зависит от дозы радиации и ее интенсивности.
В диапазоне больших доз и интенсивностей радиации превалируют линейно зависимые от дозы повреждения ДНК, До с уменьшением ее уровня возрастает, поскольку все с большей эффективностью включаются репаративные восстановительные системы. Это подтверждается многочисленными данными, в частности, о генетических мутациях, риске опухолевых заболеваний у животных и человека. С ростом уровня радиации величина дозы, при которой генетические повреждения являются причиной неопластической трансформации клеток, незначительно уменьшается. Это свидетельствует о том, что повреждение генетического материала детерминировано прямым попаданием, при котором количество нерепарируемых или ошибочно репарируемых, в основном двунитевых разрывов ДНК, может увеличиваться с ростом интенсивности излучения. В этом диапазоне уровней доз имеет место и непрямой путь взаимодействия, однако его вклад в эффект из-за описанных выше интенсивных рекомбинационных для СР процессов и значительно выраженных последствий, связанных с повреждением структур ДНК-мишеней, неощутим, и для его проявления требуются дозы Д0~ 103- 107сГр.
В диапазоне низких интенсивностей излучений восстановительные системы "успевают" достаточно надежно защитить генетический материал от прямого действия радиации, и для проявления биологического эффекта при этом виде взаимодействия у объектов, обладающих достаточно мощной системой восстановления, требуются дозы Д0~ 104- сГр. В то же время косвенные повреждения при данных интенсивностях радиации имеют очень низкие Д0, достигающие единиц или десятых долей сГр. При таких условиях облучения при доминирующем повреждении плазматических мембран предполагается значительное увеличение эволюционных дефектов из-за нарушения процесса размножения клеток, что может проявиться в увеличении количества рожденных с дефектами, самопроизвольных выкидышей, смертей за счет плохого развития, гормональной недостаточности и иммунодефицита. Последнее может явиться причиной снижения сопротивляемости организма к опухолевому росту [130].

ДАЛЕЕ

up.gif (200 bytes) m.gif (2186 bytes)up.gif (200 bytes)