Лекция 1 Молекулярная и клеточная радиобиология Предвидеть

Лекция 1. Молекулярная и клеточная радиобиология «Предвидеть – значит управлять» Блез Паскаль

Вопросы. • 1. Предмет и задачи молекулярной и клеточной радиобиологии. • 2. Основной радиобиологический парадокс. • 3. Характеристика ионизирующих излучений. • 4. Взаимодействие ИИ с веществом. • 5. Прямое и косвенное действие ИИ.

Жизнь на Земле зарождалась при гораздо более высоком уровне природного радиационного фона. 3 а 3, 7 миллиарда лет радиационный фон снизился в ~ 10 раз. В частности за счет: 40 K – с 5. 5 м. Гр/год до 0. 7 м. Гр/год

Есть мнение, что проблема действия облучения полностью ассоциирована с загрязнением окружающей среды радионуклидами вследствие запланированных (испытание ядерного оружия) и чрезвычайных (аварии на атомных станциях) радиоактивных выбросов. Прекращение развития ядерной энергетики и испытаний атомного оружия и есть решение этой проблемы ?

• В результате этого, в настоящее время миллионы людей контактируют с источниками ионизирующих излучений. • Что же помешало огромному росту числа жертв радиации, которого можно было бы ожидать, исходя из многократного увеличения массы контактирующих с нею людей?

• Таким фактором стало знание свойств ионизирующих излучений, позволившее разработать методы противорадиационной защиты и прогнозирования последствий воздействия радиации на организм человека.

1. Предмет и задачи молекулярной и клеточной радиобиологии. • – наука, изучающая влияние ионизирующего излучения на биологические макромолекулы и клетки.

Предмет радиобиологических исследований на молекулярном и клеточном уровне • установление основных закономерностей ответа биологических макромолекул и клеток на радиационное воздействие.

Объект изучения молекулярной и клеточной радиобиологии • макромолекулы, клетки, клеточные культуры, тканевые системы.

Актуальность исследований биологического действия ионизирующих излучений • 1) все живые организмы подвергаются действию естественного радиационного фона, который составляют космические лучи и излучения радиоактивных элементов земной коры; • 2) с появлением ядерных технологий и внедрением радиоактивных излучений в медицинскую практику возникла опасность облучения человека; • 3) разработка эффективных методов лучевой терапии опухолей и других патологических состояний невозможна без средств направленного изменения чувствительности клеток и тканей к радиационному воздействию.

Методы исследования в молекулярной и клеточной радиобиологии • • • 1. физическая дозиметрия 2. химическая дозиметрия 3. фотохимическая дозиметрия 4. математический расчет 5. биологический метод 6. цитогенетический метод 7. биохимический метод 8. иммунологический метод 9. геофизический метод 10. эксперимент и моделирование и т. д.

Важная черта радиобиологических методов исследования • количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и в объеме реагирующего объекта.

Радиобиологические правила • вызываемое ионизирующим излучением торможение клеточного деления (М. Корнике, 1905) • различие в степени выраженности реакции разных клеток на облучение. Впервые это было отмечено французскими исследователями И. Бергонье и Л. Трибондо (1906 г. ) – основное радиобиологическое правило.

Правило Бергонье и Трибондо • 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.

Перспективы развития современной молекулярной и клеточной радиобиологии. • проблема разнообразия мишеней первичного действия ионизирующих излучений. • изучение радиационно индуцированной нестабильности генома, роли регуляторных генов и регуляторных систем в механизмах формирования биологических последствий действия ионизирующих излучений.

Перспективы развития современной молекулярной и клеточной радиобиологии • изучение механизмов влияния излучений в малых дозах, их сочетанного действия с нерадиационными факторами окружающей среды на биообъекты. • роль оксидативного стресса в формировании радиобиологических реакций организмов. • новые представления возникли относительно механизмов радиационного канцерогенеза.

Перспективы развития современной молекулярной и клеточной радиобиологии • механизмы немишенного действия радиации. • развитие адаптивного ответа и радиационного гормезиса.

2. Основной радиобиологический парадокс. • Задача создания единой радиобиологической теории невероятно трудна прежде всего потому, что для ее решения необходимо, по меткому выражению Н. В. Тимофеева – Рессовского, понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс.

• состоит в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта вплоть до летального эффекта. Радиобиологический парадокс

• Несмотря на существующие в природе колоссальные различия в чувствительности к ионизирующим излучениям отдельных объектов, облучение в дозе 10 Гр убивает всех млекопитающих. Что же представляет собой такая доза по суммарной энергии, поглощенной в организме при облучении? Много это или мало? Экспериментальное объяснение парадокса

• Если условно перевести энергию 10 Гр без потерь в тепловую энергию, то окажется, что организм человека нагреется лишь на 0, 0010 С, т. е. меньше, чем от стакана выпитого горячего чая. Энергетический аспект

Ионизационный аспект • Сколько атомов подвергается ионизации при облучении в той же смертельной дозе 10 Гр? • В биологической ткани в объеме 1 мкм 3, содержащем 1011 атомов, создается лишь около 200 ионизаций (примерно такое же число реагирующих молекул). • Оказывается, что если подвергать воздействию непрерывного излучения какое либо вещество, по плотности соответствующее живым тканям, с интенсивностью, создающей смертельную дозу в течение 1 ч, то половина его атомов превратилась бы в ионы лишь через 1000 лет.

• С целью объяснить радиобиологический парадокс в 1922 г. Ф. Дессауэр предложил первую теорию, объясняющую радиобиологические эффекты повреждения клеток различных тканей дискретностью событий – актов ионизации в чувствительном объеме клетки. Теоретическое объяснение парадокса

• Эти представления получили в последующем свое развитие в виде принципа попадания и теории мишеней в работах Н. В. Тимофеева Ресовского, К Циммера, Д. Ли и ряда других исследователей. Теоретическое объяснение парадокса

• Правило И. Бергонье и Л. Трибондо. • В процессе последующей трансформации клеток становится более выраженной их функциональная специализация, и эти клетки становятся менее радиочувствительными. • Этот закон является справедливым до настоящего времени. Теоретическое объяснение парадокса

3. Характеристика ионизирующих излучений. • Ионизирующие излучения - излучения способные вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе.

Энергия ионизации • это минимальная энергия I 0, необходимая для ионизации атома. Для различных электронов в одном и том же атоме энергия ионизации будет своя.

Типы ионизирующих излучений • рентгеновское и синхротронное излучение, • гамма излучение, • потоки протонов, нейтронов, электронов, позитронов, нейтрино, дейтронов, альфа частиц и других ядер, а также потоки пионов и мюонов.

Классификация ионизирующих излучений (тип взаимодействия с веществом) • прямо или непосредственно ионизирующее излучение (заряженные частицы с кинетической энергией достаточной для акта ионизации). • косвенно ионизирующее излучение (излучение, состоящее из нейтральных частиц: фотоны, нейтроны, 0 мезоны, нейтрино).

Потенциал ионизации • это минимальная энергия, необходимая для ионизации большинства элементов, входящих в состав биосубстрата, 10 — 12 э. В. • В том случае, если передаваемая атому или молекуле энергия кванта излучения меньше потенциала ионизации облучаемого вещества, происходит лишь их возбуждение.

• -частицы • нейтроны Ионизирующие излучения

• рентгеновские лучи генерируются при торможении ускоренных электронов в кулоновском поле ядер атомов, • излучение испускается возбужденными ядрами или возникает при аннигиляции частиц. Природа электромагнитного ИИ

Типы рентгеновского излучения • При попадании на антикатод быстролетящих электронов возможны два процесса: vторможение их в кулоновском поле атомов антикатода (тормозное); vпроникновение в глубокие слои электронной оболочки атомов с последующей кратковременной (примерно на 10 15 с) их ионизацией. Ионизация происходит за счет выбивания электрона (налетевшим электроном) с одной из внутренних оболочек атома (характеристическое).

4. Взаимодействие ИИ с веществом. • Критерием «качества» излучения, эффективности его биологического действия, служит величина дифференциальной потери энергии частиц на единицу длины пути d. E/dx, которая получила название «линейная передача энергии» ЛПЭ.

энергия, переданная частицей вещества , Кэ. В L = расстояние, пройденное частицей, мкм Линейная передача энергии

биологическая эффективность исследуемого излучения ОБЭ = биологическая эффективность рентгеновского излучения с энергией примерно 200 Кэ. В Относительная биологическая эффективность

ОБЭ ЛПЭ, кэ. В/мкм Зависимость относительной биологической эффективности излучения от линейной передачи энергии.

Фотоэффект

Эффект Комптона

Образование электронпозитронных пар

5. Прямое и косвенное действие ИИ. • Под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими исследуемыми молекулами (мишенями). • Под косвенным действием понимают изменения молекул в растворе, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды или растворенных веществ, а не энергией излучения, поглощенной самими исследуемыми молекулами.

Зависимость выхода продуктов радиолиза воды от величин ЛПЭ

Классификация радикалов в организме человека

Электронная структура некоторых радикалов

Причины образования свободных радикалов • избыточное поступление свободных радикалов в организм в связи с повышенным радиационным фоном, загрязнением окружающей среды, курением, употреблением некачественной пищи (продуктов, содержащих нитраты, соли тяжелых металлов, пищевые красители, консерванты) и воды; • дефицит веществ, участвующих в процессах нейтрализации и выведения свободных радикалов: витаминов (особенно антиоксидантов А, С, Е), микро и макроэлементов, биофлавоноидов.

Эффекты свободных радикалов • Одним из основных эффектов свободных радикалов является разрушение жирных кислот, образующих клеточные мембраны (перекисное окисление липидов). В результате таких реакций происходит формирование каналов проницаемости в клеточной стенке, что нарушает жизнедеятельность клетки и приводит к ее гибели. • Повреждение свободными радикалами белковых структур и молекул ДНК нарушает генетический код клетки и делает, в частности, возможным развитие онкологических заболеваний.

Благодарю за внимание и терпение! Вопросы? И напоследок – литература.

1. Бутомо Н. В. Основы медицинской радиобиологии/ Н. В. Бутомо, А. Н. Гребенюк, В. И. Легеза и др. / Под ред. И. Б. Ушакова. – СПб. : ООО «Издательство Фолиант» , 2004. 2. Гончаренко Е. Н. , Кудряшов Ю. Б. “Гипотеза эндогенного фона радиорезистентности”. М. , 1980. 3. Кузин А. М. Структурно метаболическая теория в радиобиологии/ А. М. Кузин; – Наука, 1986. 4. Тимофеев Ресовский Н. В. Ведение в молекулярную радиобиологию/ Н. В. Тимофеев Ресовский, А. В. Савич, М. И. Шальнов; – М. : Медицина, 1981. Литература.

5. Ярмоненко С. П. Радиобиология человека и животных: Учебное пособие / С. П. Ярмоненко, А. А. Вайнсон: Под ред. С. П. Ярмоненко. – М. : ВШ, 2004. 6. Кудряшов Ю. Б. Основы радиационной биофизики/ Ю. Б. Кудряшов, Б. С. Беренфельд; – М. : Изд во МГУ, 1982. 7. Кудряшов Ю. Б. Основные принципы в радиобиологии/ Ю. Б. Кудряшов; // Радиационная биология. Радиоэкология. – Т. 41, № 5. – С. 531 547. 2001. 8. Москалев Ю. И. Отдаленные последствия воздействия ионизирующих излучений/ Ю. И. Москалев; – М. : Медицина, 1991. Литература.