Біофізичні механізми дії йонізуючого випромінювання на клітину
Випромінювання буквально пронизує навколишній світ. У світі неживих предметів найчастіше йонізуюче випромінювання може привести до руйнування кристалічної решітки через вибивання атомів з її вузлів, йонізації діелектриків (які стають провідниками) або зміни хімічного складу речовини внаслідок запуску ядерних перетворень.
Значно більшою мірою це стосується складної молекулярної структури живих клітин або вірусів. Йонізуюче випромінювання впливає на ядерні (що знаходяться в клітинному ядрі) і неядерні (цитоплазматичні) клітинні структури. До ядерних відноситься перш за все ДНК клітинного ядра. Пошкодження цієї макромолекули найбільш значущі для подальшої долі опроміненої клітини і її нащадків, так як вони призводять до загибелі клітини або розвитку генетичних порушень. Пошкодження цитоплазматичних структур клітин – мітохондрій, лізосоми, ендоплазматичної мережі – також відіграє велику роль в променевому ураженні клітини, але вони не такі значущі для її нащадків.
Коли йонізуюче випромінювання діє на клітину, рвуться ковалентні зв`язки і утворюються високоактивні вільні радикали. Радіація призводить до прямих і непрямих пошкоджень. Прямі пошкодження виникають в результаті поглинання енергії випромінювання біомолекулами – розрив одних ковалентних зв`язків і формування нових призводить до порушення функціонування клітинних структур. Але клітина складається на 80% з води, тому найчастіше енергія поглинається не структурами, а молекулами води. Це призводить до утворення вільних радикалів, які і ушкоджують біологічні молекули. У разі ДНК пошкоджуються нуклеотиди, що складаються з азотистої основи і цукру (дезоксирибози), і зв`язки між ними, причому як в результаті прямого, так і непрямого впливу радіації.
Перейдемо на рівень вище і розберемося, як відбувається пошкодження тканин і органів. Попадання випромінювання на живі клітини носить випадковий, імовірнісний характер. На відміну від отрути, при отруєнні яким кожна клітина так чи інакше виявляється пошкодженої, при опроміненні критично пошкоджуються тільки ті клітини, в які потрапило йонізуюче випромінювання. Якщо організм отримав малу дозу опромінення, то загине (умовно) одна з десятка тисяч клітин. З таким пошкодженням тканина або орган в цілому можуть впоратися. При підвищенні інтенсивності випромінювання розподіл ушкоджень по тканині нагадує посилення дощу: краплі спочатку падають рідко, а потім все частіше і частіше. Тобто під «бомбардування» випромінюванням потрапляє все більше клітин до тих пір, поки кількість пошкоджених клітин не досягне критичного рівня.
Тоді з`являються детерміновані ефекти. Для кожної тканини є своя гранична доза, нижче якої ушкодження клінічно не проявляються. Але якщо доза перевищує порогову, ефекти будуть в будь-якому випадку, саме тому вони і називаються детермінованими. Цим вони відрізняються від стохастичних (випадкових) ефектів: до них відносять викликані радіацією злоякісні новоутворення (рак і лейкоз). Для стохастичних ефектів немає чіткого порога опромінення, і ризик появи новоутворень зростає зі збільшенням дози. Навіть пошкодження декількох клітин тканини або органу може випадковим чином привести до непередбачуваних відкладених наслідків. У разі детермінованих ми говоримо про тяжкість ушкодження тканин, а в разі стохастичних – про ризик виникнення захворювання або прояви спадкових ефектів.
Найменш чутливими до радіації виявилися більш прості організми: одноклітинні рослини і тварини, а також бактерії. У той час як ссавці, серед яких і людина, більше схильні до радіаційних ушкоджень. Складні системи простіше зламати і складніше полагодити, а мікроорганізми краще пристосовані до агресивних умов зовнішнього середовища, тому і виявляються більш стійкими. Крім того, бактерії можуть утворювати спори, коли метаболізм практично припиняється, і в такому стані вони можуть витримувати жахливі дози опромінення.
Тихоходки, ці близькі до членистоногим невеликі безхребетні, виявилися неймовірно витривалими до йонізуючого випромінювання: вони витримують дозу радіації, яка більш ніж в тисячу разів перевищує смертельну для людини. У тихоходок є спеціальний білок Dsup, який сідає на молекулу ДНК і захищає її від різноманітних пошкоджень.
До речі, навіть у особин одного виду чутливість до радіації може відрізнятися в залежності від фізіологічного стану організму, умов його існування та індивідуальних особливостей. При цьому при одній і тій же поглиненій дозі руйнівний ефект буде залежати від величини лінійної передачі енергії випромінювання і характеру опромінення: тотальне або локальне, зовнішнє або внутрішнє.
Говорячи про дози опромінення, які призводять до негативних наслідків для організму, не можна не згадати про так званий радіобіологічний парадокс – це невідповідність між незначною поглиненою енергією і сильно вираженим радіобіологічним ефектом. Тобто напівлетальна доза опромінення для людини становить усього 4-6 грей, або 4-6 джоулів на кг. Ця енергія порівнянна з кількістю тепла, яке ми отримуємо, випивши склянку гарячого чаю. Ефект пояснюється випадковістю, через нерівномірний розподіл енергії випромінювання за обсягом тканини і клітин, коли максимальна кількість енергії поглинається концентровано в певних областях клітини. У цих місцях виникають серйозні пошкодження клітинних структур.
Звичайно, це лише вступна інформація. Про йонізуючу дію радіоактивного випромінювання на клітини можна говорити досить довго, адже це окрема, досить велика тема, яку ще досі вивчають і доповнюють.