Файл: ЧС и радбез. Курс лекций 2014.pdf

Лекция 8. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

8.1.Воздействие ионизирующих излучений на молекулу ДНК, клетку и организм. Радиочувствительность органов. Детерминированные и стохастические эффекты.

8.2.Радиационные синдромы. Острая и хроническая лучевые болезни. Последствия облучения большими и малыми дозами.

8.3.Способы защиты организма человека от радиации.

8.1.ВоздействиеионизирующихизлученийнамолекулуДНК, клетку и организм. Радиочувствительность органов. Детерминированные и стохастические эффекты

При воздействии ионизирующих излучений на организм человека в тканях происходят сложные физические, химические и биологические процессы. В результате ионизации живой ткани происходит разрыв молекулярных связей и изменение химической структуры различных соединений, что, в свою очередь, приводит к гибели клеток.

Клетка состоит из оболочки, ядра и ряда клеточных структур. Ядро отделено от цитоплазмы мембраной. Оно содержит ядрышко и набор хромосом. Вещество хромосом состоит из нуклеиновых кислот, которые являются хранителями наследственной информации и специальных белков. Повреждающий эффект ионизирующей радиации объясняется поглощением энергии наиболее чувствительной частью клетки – ядром и ядрышком.

Ионизирующему излучению могут подвергаться работающие с рентгеновскими гамма-лучами при осуществлении гамма-дефекто- скопии на промышленных предприятиях, работающие на ускорителях, обслуживающие ядерные реакторы, занятые на разведке и добыче полезных ископаемых. При нарушении правил радиационной безопасности или при ЧС ионизирующие излучения могут быть причиной развития лучевой болезни.

Основную часть облучения население получает от естественных источников радиации – около 2,4 мЗв/год – и примерно 0,5–1,5 мЗв/год – от техногенных. По воздействию на человека все источники ионизирующих излучений делятся на две группы:

120

–закрытые источники – рентгеновские установки, ускорители, ядерные реакторы, радиоактивные вещества в таре и другие;

–открытые источники – радиоактивные вещества, распределенные в окружающей среде (в почве, воде, воздухе) или находящиеся на поверхности предметов, с которыми соприкасается человек.

При использовании закрытых источников человек подвергается тольковнешнемуоблучению, находясьвопаснойзоневблизиисточников.

Действие открытых источников связано с внешним облучением и попаданием радиоактивных веществ внутрь организма с воздухом, водой, пищей и при контакте с загрязненными предметами через кожу. В отличие от опасности внешнего облучения, опасность радионуклидов, попавших внутрь организма, обусловлена тем, что их действие продолжается в течение всего промежутка времени, пока радионуклиды не будут выведены из организма в результате физиологических обменных процессов и радиоактивного распада.

Внутренне облучение зависит от распределения радионуклидов в критических органах и тканях, при этом преимущественно поражаются те органы и ткани, в которых избирательно накапливается радионуклид. Доза внутреннего облучения, создаваемая радионуклидом, зависит и от характера излучения (альфа-, бетаили гамма-излучение), энергии излучения и эффективного периода полувыведения из организма.

При внутреннем облучении наиболее опасны альфа-излучающие радионуклиды. Ионизация, производимая альфа-излучением, обуславливает ряд особенностей в тех химических процессах, которые протекают в веществе, в частности в живой ткани (образование сильных окислителей, образование свободного водорода и кислорода). Эти радиохимические реакции, протекающие в биологических тканях под воздействием альфа-излучения, вызваны высокой биологической эффективностью альфа-частиц. По сравнению с рентгеновским, бета- и гамма-излучением относительная биологическая эффективность аль- фа-излучения принимается равной 20.

При внешнем облучении всего тела критическими являются те органы и ткани, которые наиболее радиочувствительны и функции которых наиболее важны для жизнедеятельности организма. В этих случаях считаются критическими гонады, красный костный мозг, легкие, желудок и толстая кишка.

Ионизирующее излучение, проходя через ткани человека, ионизирует на клеточном уровне атомы в молекулах, которые играют важную биологическую роль в нормальном функционировании клеток, и вызывает в организме цепочку обратимых и необратимых изменений.

121

Диссоциация сложных молекул в результате разрыва химических связей – прямое действие радиации.

Ионизирующие излучения при воздействии на организм человека могут вызвать два вида эффектов, которые клинической медициной относятся к болезням: детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой ожог, катаракта, бесплодие, аномалии в развитии плода), наблюдаются при дозах более 1 Гр, и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы и наследственные болезни).

Детерминированные эффекты излучения включают нарушение деятельности или потерю функций тканей в органах главным образом вследствие гибели клеток. Эти эффекты наступают от облучения большими дозами, и для них существует порог, т. е. прямая связь причины и следствия облучения может быть подтверждена клинически.

Стохастические эффекты – это такие эффекты, которые возникают, когда облученная клетка не гибнет, а изменяется.

Эффекты в зависимости от величины поглощенной дозы развиваются в течение разных промежутков времени: от нескольких секунд до многих часов, дней, лет.

На клеточном уровне ионизация как результат облучения может привести к повреждению клеток. Как правило, организм человека способен соответствующим образом восстановить наносимый клеткам ущерб. Существует определенная зависимость этого процесса во времени. Поэтому, если данная поглощенная доза облучения распределяется во времени, она наносит меньший ущерб по сравнению с дозой, полученной при остром лучевом облучении. Это объясняется тем, что при получении дозы в течение периода времени не только происходит восстановление поврежденных клеток, но и образуется новая популяция клеток в результате их деления.

Пусковым механизмом воздействия являются процессы ионизации и возбуждения атомов в молекулах тканей. Клеточные структуры повреждаются в результате ионизации атомов, молекул и макромолекул с образованием радикалов.

Более 97% общего состава живых организмов представлено легкими атомами – водорода, кислорода, углерода, азота, серы, фосфора. Из этих элементов состоят основные компоненты биологических систем. В биологических тканях основная часть поглощенной энергии (70–85%) приходится на воду.

Существенную роль в формировании биологических эффектов играют радиационно-химические изменения, обусловленные продук-

122

тами радиолиза воды. Первичные продукты радиолиза: свободный электрон, положительный ион и возбужденная молекула воды – обладают свойствами, отличающимися от свойств электрически нейтральных молекул. Они распадаются с образованием высокореакционных свободных радикалов водорода (Н°) и гидроксила (ОН°).

Радикал водорода обладает восстановительными свойствами, а гидроксильные радикалы – сильные окислители. Обладая очень высокой химической активностью за счет наличия неспаренного электрона, свободные радикалы взаимодействуют друг с другом и с растворенными в воде молекулами других веществ, в результате чего возникают перекисные соединения и свободные радикалы других молекул. Возникшие соединения вступают в химические реакции с неповрежденными молекулами белка, ферментов и других элементов биоткани, образуя новые токсические соединения – радиотоксины, что приводит к нарушению биохимических процессов в организме, а при больших дозах – к развитию острой лучевой болезни.

При воздействии ионизирующих излучений на организм человека в тканях происходят сложные физические, химические и биологические процессы. Основной особенностью действия ионизирующих излучений является ионизация атомов и молекул живой материи. Этот процесс считается начальным этапом биологического действия излучения и в дальнейшем вызывает функциональные нарушения в тканях, органах и системах человека.

Клетка состоит из оболочки, ядра и ряда клеточных структур. Ядро отделено от цитоплазмы мембраной. Оно содержит ядрышко и набор хромосом. Вещество хромосом состоит из нуклеиновых кислот, которые являются хранителями наследственной информации. Повреждающий эффект ионизирующей радиации объясняется поглощением энергии наиболее чувствительной частью клетки – ядром и ядрышком, и чем выше величина поглощенной дозы, тем выше степень, глубина и форма лучевых поражений биологических объектов.

Врезультате ионизации живой ткани происходят разрыв молекулярных связей и изменение химической структуры различных соединений, что, в свою очередь, приводит к гибели клеток.

Повреждение клеточных структур формируется в результате ионизации атомов, молекул и макромолекул с образованием радикалов, которые участвуют в первичных радиационно-химических процессах.

Врезультате этих реакций изменяется структурная и метаболическая организация клетки, ткани и формируется видимый радиобиологический эффект. Между актом поглощения энергии излучения

123

ипроявлением радиобиологического эффекта проходит определенное время (часы, сутки, годы), что говорит о сложной цепи процессов, возникающих в облученном организме. Радиобиологические эффекты зависят от поглощенной дозы излучения и ее мощности.

Еще более существенную роль в формировании биологических последствий играют продукты радиолиза воды, которая составляет 60–70% массы биологической ткани. При воздействии ионизирующего излучения на воду образуются свободные радикалы Н и ОН, а в при-

сутствии кислорода также свободный радикал гидропероксида (НО2) пероксида водорода (Н2О2), являющиеся сильными окислителями. Продукты радиолиза вступают в химические реакции с молекулами тканей, образуя соединения, не свойственные здоровому организму. Это приводит к нарушению отдельных функций или систем, а также жизнедеятельности организма в целом.

Процессы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом клетки, в результате которых образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, является первым этапом развития лучево-

го поражения.

Интенсивность химических реакций, индуцированных свободными радикалами, повышается, и в них вовлекаются многие сотни и тысячи молекул, не затронутых облучением.

При действии на клетку смертельной дозы излучений в ней возникает несколько тысяч химических и структурных изменений молекул. Происходящие под воздействием излучения изменения структуры и свойств, входящих в состав клетки молекул белков, ферментов, липидов и других веществ, приводят к нарушению упорядоченности и последовательности биологических процессов в клетке, а также к нарушению обмена веществ и процесса деления.

Большие дозы излучения вызывают гибель клетки. При меньших дозах гибель наступает не сразу. Еще меньшие дозы вызывают гибель только части клеток или временную приостановку, или замедление деления клеток. Временная потеря способности клеток к делению говорит о том, что клетки могут устранять нанесенное им повреждение

ивосстанавливать нормальный жизнедеятельный процесс деления. Этот процесс восстановления проявляется сильнее и, соответственно, поражение клетки будет слабее при облучении ее такой же дозой в течение большего времени, т. е. при меньшей мощности дозы. Однако способность клетки к восстановлению не безгранична.

Подавление способности клеток делиться называется репродуктивной гибелью. Клетка, утратившая способность делиться, не всегда

124