Біофізичні механізми дії іонізуючого випромінювання на клітину

Біофізичні механізми дії іонізуючого випромінювання на клітину

На ранній стадії існування матерії вона була в значній мірі радіоактивною. Однак пізніше більшість ядер природних радіоактивних речовин зазнали радіоактивного розпаду і стали стійкими. Але деякі речовини все ще радіоактивні і є джерелами іонізуючого випромінювання. Поряд з цим, випромінювання Космосу і Сонця постійно впливають на організм і навколишнє середовище. Таким чином, все життя на землі розвивається в середовищі, яке є природно – радіоактивним.

Іонізуюче випромінювання було відкрито в 1895 році Вільгельмом Конрадом Рентгеном в Німеччині, який зафіксував невідомі раніше промені, які проникали крізь тіло людини. Ці промені, однак, не були пов’язані з природною радіоактивністю. Рентген отримав їх в електронній лампі, розганяючи потік електронів від одного електрода до іншого. Це відкриття надихнуло інших вчених шукати таємничі промені, і в 1896 році було зроблено наступне відкриття: французький фізик Анрі Беккерель вивчав мінеральний зразок урану і виявив, що він випускав промені того ж самого типу, що і промені Рентгена. Беккерель виявив явище природної радіоактивності.

Тепер пошук хімічних елементів, що випускають радіацію, став більш цілеспрямованим. У 1898 році вчені Марія і П’єр Кюрі виділили два радіоактивні елементи: полоній і радій. Радій, який є високо радіоактивним хімічним елементом, скоро виявився корисним у медицині. А в той час про небезпеку шкідливого впливу випромінювання на організм не було відомо.

Багато з першопрохідців в області медицини і наукових досліджень були опромінені, і протягом перших десятиліть минулого століття деякі з них загинули від променевої хвороби.

У 1928 році на Міжнародному Конгресі з радіології в Стокгольмі була заснована міжнародна організація – сьогодні відома, як Міжнародна Комісія з Радіаційної Захисту (МКРЗ). МКРЗ збирає інформацію про вплив радіації на здоров’я і випускає рекомендації з радіаційного захисту.

Вплив іонізуючого випромінювання на речовину.

Будь-яка речовина, поглинаючи енергію сонячного випромінювання, нагрівається. Вплив сонячного випромінювання на біологічну тканину призводить до біологічних ефектів (наприклад, загар на тілі людини). Так само і іонізуюче випромінювання впливає по-різному на живу і неживу матерію.

Тіло людини поглинає енергію і знаходиться під біологічним впливом іонізуючого випромінювання. Щоб зрозуміти, як іонізуюче випромінювання впливає на нашу біологічну тканину, досліджуємо процес на рівні елементів, які складають тканину, тобто на рівні клітини.

Клітина і молекула ДНК живого організму.

Людське тіло складається приблизно з 10 14 клітин. Клітина – найменша частинка організму, яка має здатність до життєдіяльності і розмноження. Вона поглинає поживні речовини і кисень з крові і перетворює їх в енергію. Комп’ютером, керуючим усіма програмами, за якими працюють всі наші клітини, є генетичний матеріал, що міститься в ядрі кожної клітини. Генетичний матеріал містить не тільки інформацію про завдання клітини, але також і повне складальне креслення всього людського тіла, включаючи всі його індивідуальні характеристики.

Генетичний матеріал людини складається з 46 хромосом, що становлять 23 пари. Усередині хромосом знаходиться молекула ДНК, яка є найскладнішою макро-молекулою. Молекула ДНК складається з двох ланцюжків у формі подвійної спіралі, розтягнувши які можна отримати нитка довжиною близько 1,5 метра

Чотири бази, названі А, С, G, Т, пов’язують обидві спіралі разом дуже оригінальним способом. “А” в одній спіралі завжди з’єднується з “Т” в інший спіралі, “С” завжди з’єднується з “G. У разі, якщо одна спіраль пошкоджена, інша служить моделлю для відновлення.

Поділ клітини в організмі.

Клітини можуть зруйнуватися або бути пошкоджені внаслідок будь-яких причин. Щоб дозволяти тканинам тіла і органам підтримувати свої функції, клітина ділиться з утворенням двох нормальних, здорових дочірніх клітин, ідентичних материнській клітині, які замінюють пошкоджену клітину.

Коли клітина ділиться, обидва ланцюжки кожної молекули ДНК поділяються, кожна потім стає частиною нової спіралі ДНК і в результаті – ми маємо дві нові клітини.

Повний процес ділення займає від двох хвилин до двох годин – це дуже чутливий період в житті клітини. Пошкодження ДНК під час цього процесу може привести до різних наслідків. Однак, здатність клітини до відновлення виправить більшість дефектів перш, ніж закінчиться утворення нової клітини.

Пошкодження ДНК відбувається випадково, або в результаті впливу на неї отруйних речовин, вірусів, ультрафіолетового або іонізуючого випромінювання.

Впливі іонізуючого випромінювання на ДНК.

Деякі клітини є найбільш чутливими до іонізуючого випромінювання, але всі вони чутливі в період поділу. Це означає, що зростаюча тканина або тканина, яка має високу швидкість ділення клітин, більш чутлива до іонізуючого випромінювання, ніж інші тканини. Ось чому діти, а особливо плід вагітної жінки більш чутливі до випромінювання, ніж дорослі. З тієї ж причини клітини ракової пухлини більш чутливі до випромінювання, ніж здорова тканина, так як ракова пухлина росте дуже швидко за рахунок частого поділу ракових клітин. Ця особливість пухлини використовується для лікування раку за допомогою опромінення ракових клітин.

Прямі та непрямі ефекти опромінення.

Іонізуюче випромінювання може впливати на ДНК безпосередньо або побічно. Наші клітини складаються на 65-75% з води. Тому, найбільш ймовірна молекула, яка піддається впливу іонізуючого випромінювання молекула води. Випромінювання іонізує молекули води, приводячи до утворення різних хімічних активних речовин. Ці речовини, які називаються вільними радикалами, можуть впливати на молекулу ДНК. Прямий вплив має менш важливе значення, оскільки він менш імовірний. Щоб викликати прямий ефект, іонізуюче випромінювання має зруйнувати молекулу ДНК.

Типи пошкодження ДНК.

Бета- і гамма-випромінювання викликають низьку щільність іонізації, тому ймовірність пошкодження обох ланцюжків спіралі ДНК відносно невелика. Зазвичай шкода завдається тільки одному ланцюжку або одній базі, і це пошкодження може бути відновлено відносно ефективними функціями відновлення організму. Альфа-випромінювання викликає високу щільність іонізації. При цьому виникає велика ймовірність руйнування обох ланцюжків ДНК. Оскільки генетична модель клітини, таким чином, руйнується, імовірна помилка в процесі відновлення клітини, що може навіть призвести до загибелі клітини.

Дія радіації на організм людини.

Існують відмінності між наслідками радіаційного впливу, які виникають незабаром після опромінення – гострі наслідки – і наслідками, які будуть спостерігатися набагато пізніше – хронічні наслідки.

Гострі наслідки опромінення.

Гострі наслідки обумовлені великою дозою опромінення тіла або органу людини за короткий термін, і в більшості випадків призводять до загибелі клітин організму. При перевищенні порогового значення пошкодження неминучі, і вони збільшуються зі збільшенням дози. Індивідуальне порогове значення може бути різним, і це може змінити ступінь пошкодження кожного індивідуума. Гостра променева хвороба і пошкодження плоду у вагітних – приклади гострих ушкоджень організму в результаті впливу іонізуючого випромінювання.

Гостра променева хвороба.

Клітини, які є найбільш чутливими до впливу радіації – клітини з високою частотою поділу. Тому в першу чергу іонізуюче випромінювання буде впливати на кровотворні органи (червоний кістковий мозок), особливо чутливий до іонізуючого випромінювання. Короткочасна доза опромінення на все тіло більш, ніж 1000 мЗв (100 бер) призведе до гострої променевої хвороби. Безліч клітин і, отже, великі частини живої тканини будуть пошкоджені або загинуть. Функції опроміненого органу будуть порушені. Наслідки інтенсивного опромінення організму в дозах, що перевищують граничне значення, іноді проявляються вже через годину або дві: людина почне відчувати слабкість і почнеться блювота. Ці ознаки зазвичай зменшуються після двох днів, і протягом двох-трьох тижнів – самопочуття людини покращується. Однак, за цей час число білих кров’яних клітин істотно зменшиться, зменшиться і опір організму інфекційним хворобам. Це може привести до запальних хвороб з високою температурою, діареї і кровотеч. Якщо людина поправляється від гострого опромінення, то залишиться ризик хронічних наслідків опромінення.

Негайне і цілеспрямоване кваліфіковане лікування збільшує відсоток виживання.

Генетичні порушення в організмі.

Розрізняють такі види впливу на клітини організму внаслідок опромінення в залежності від поглиненої дози опромінення ірадіостійкість клітини:

  • Без змін – опромінення не впливає на клітку
  • Загибель клітини
  • Відновлення:
  • Клітка відновлює молекулу ДНК
  • Порушення відновлення.

Молекула ДНК отримує неправдиву інформацію, що веде до мутації клітини. Мутації не обов’язково негативні, але вони можуть також привести до генетичних порушень і ракових захворювань.

Хронічні наслідки опромінення.

Рак і спадкові хвороби розцінюються як хронічні наслідки дії радіаційного опромінення.

Граничне значення дози опромінення для хронічних наслідків відсутня. Чим більше доза опромінення, тим вище ймовірність захворювання.

Ракове захворювання.

Клітка, у якої генетичний код був змінений, може розвинутися в ракову клітину. Рак – хвороба, викликана безконтрольним діленням мутуючих клітин. Приблизно 20% всіх смертних випадків в світі – від ракових хвороб. Ознаки лейкемії, спричиненої іонізуючим випромінюванням, виявляються через 3-7 років після опромінення. Інші види ракових хвороб розвиваються більш тривалий час.

Спадкові зміни в потомстві.

ДНК в статевих клітинах, також можуть бути пошкоджені іонізуючим випромінюванням. Ці ушкодження можуть бути передані наступному поколінню. Але для того, щоб це сталося, дефект клітин повинен бути успадкований від обох батьків. Необхідні умови передачі генетичних змін в наступному поколінні:

  • Хромосома в статевій клітині пошкоджена.
  • Пошкоджено однакові хромосоми в клітинах батька і матері.
  • Ембріон повинен розвинутися. Шанси ембріона вижити зменшуються, якщо клітини пошкоджені.

Ці умови пояснюють, чому спадкові наслідки нанесення шкоди організму настільки важко оцінити. Імовірність кожної умови мала. Імовірність того, що всі три умови виконуються одночасно – надзвичайно мала.

Be the first to comment

Leave a Reply