При воздействии смертельных доз радиации клетка под микроскопом выглядит в общих чертах так же, как если бы она была убита высокой температурой или сильным ядом: нарушается целостность и гладкость ее оболочки (плазматической мембраны), мембран ядра и других клеточных органелл, ядро уплотняется, разрывается или, наоборот, разжижается. Гибель клетки происходит непосредственно после облучения или через некоторый промежуток времени, который определяется как латентный период. Продолжительность латентного периода может быть различной - от нескольких минут до нескольких дней, что зависит от двух факторов: от величины поглощенной дозы излучения и от степени радиочувствительности клетки. При меньших дозах радиации клетка остается живой, однако в ее органеллах происходят более или менее существенные изменения, прежде всего в клеточном ядре.
Со времени зарождения Земли и по настоящее время живые системы вынуждены постоянно противостоять вредным и опасным для них воздействиям среды обитания, среди которых излучения естественного радиационного фона всегда занимали важное место. Они научились защищать от повреждений свой наследственный механизм, прежде всего - структуру молекул ДНК. В конденсированном состоянии молекула ДНК наиболее устойчива к действию любых повреждающих агентов, в том числе радиации. Однако в процессе декодирования двойная спираль ДНК частично расплетается и активно функционирует. В этом состоянии она наиболее чувствительна к воздействию радиации, чем ДНК покоящаяся. Вторым критическим моментом в жизни клетки, уязвимым для радиации, является процесс самоудвоения (репликация) ДНК.
В каждой живой системе последовательно сменяются клеточные поколения. Жизненный цикл, период от одного деления до другого, подразделяется на четыре фазы: митоз (М), пресинтетический период (G1), период синтеза ДНК (S), постсинтетический период (G2). Весь жизненный цикл имеет продолжительность 10-30 часов.
По времени митоз занимает 2-5% общей продолжительности клеточного цикла, или 0,5-1 час. Значение митоза в жизни облученной клетки состоит в том, что деятельность систем внутриклеточного восстановления к началу митоза полностью прекращается и все повреждения ДНК, оставшиеся нерепарированными, в процессе митоза фиксируются и либо приводят клетку к гибели, либо сохраняются в наследственном механизме клеток-потомков, снижая их жизнеспособность и служа материалом для формирования мутаций.-фаза длиться 8-12 часов, на протяжении этого периода наиболее полноценно функционируют системы внутриклеточной репарации. S-фаза длится 9-12 часов, в этот период репаративные системы либо не работают, либо функционируют слабо. G2-фаза длится 4-6 часов, в этот период функционируют системы пострепликативной репарации, эффективность которых ниже, чем в G1-фазе. В итоге большинство клеток наиболее чувствительны к радиации в конце G1-фазы, перед началом синтеза ДНК, и пред вступлением в митоз, в самом конце G2-фазы.
Наиболее универсальной реакцией клеток на воздействие ионизирующей радиации в разных дозах является временная остановка деления, или радиационный блок митозов. Длительность задержки строго пропорциональна дозе радиации - примерно 1 час на каждый 1 Гр - и проявляется у всех клеток облученной популяции независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем или погибнет. С увеличением дозы радиации возрастает не доля реагирующих клеток, а время задержки митоза каждой из облученных клеток. Время задержки в значительной степени зависит также от стадии клеточного цикла. При облучении в S и G2-фазах оно максимальное, в митозе - минимальное: начав митоз, практически все клетки завершают его без задержки.
Продвижение клетки по циклу определяется активацией последовательно сменяющих друг друга циклинзависимых киназ - ферментов, фосфорилирующих аминокислотные остатки в белках и тем самым меняющих их конформацию и энзиматическую активность. Каждая циклинзависимая киназа состоит из собственно каталитической единицы и регуляторной субъединицы - одного из циклинов. Для перехода от одной стадии цикла к другой необходимо образование нового комплекса каталитической единицы с одним из циклинов, а также фосфорилирование определенных аминокислотных остатков в ее молекуле. Негативная регуляция продвижения клетки по фазам цикла осуществляется ингибиторами циклинзависимых киназ.
В клеточном цикле имеется несколько так называемых сверочных точек, "чекпойнтов", при прохождении которых ферментативные системы проверяют ДНК на повреждения, и в случае их выявления активируют ингибиторы циклинзависимых киназ, что замедляет переход клеток из одной фазы в другую. Вероятно, замедление перехода дает больше возможности для репарации повреждений ДНК, возникающих в процессе нормальной жизнедеятельности клетки. При нанесении клетке значительного количества повреждений эта система также приводит к задержке прохождения цикла, но, по-видимому, не может обеспечить необходимый уровень восстановления. Блок в прохождении цикла нагляднее всего проявляется в виде задержки наступления первого постлучевого митоза. Однако при одной и той же дозе облучения клетки с длительной задержкой продвижения по циклу (более поздним наступлением митоза) впоследствии погибают с большей вероятностью, чем клетки с меньшей задержкой.
Эта реакция имеет большое приспособительное значение: обеспечивая увеличение длительности интерфазы, она создает максимально благоприятные условия для работы ферментных систем репарации, для полного устранения возникших повреждений до наступления митоза.
Обратимую реакцию задержки деления следует отличать от полного прекращения митозов, наступающего после воздействия радиации в больших дозах. В этих условиях клетка продолжает жить длительное время, достигает неестественно большого размера, в ней нередко продолжается синтез ДНК, число хромосомных наборов возрастает, но разделиться клетка не может (вероятно, из-за необратимого повреждения аппарата деления) и, в конечном счете, гибнет.
радиоактивность клетка хромосомная аберрация
Хромосомные аберрации (перестройки) являются классическим проявлением лучевого поражения клеток. Их количество соответствует дозе облучения. Появление аберраций отражает образование разрывов молекулы ДНК и дефекты ее репарации. Разрывы приводят к фрагментации хромосомы. Под фрагментом понимают ту часть хромосомы, которая не связана с центромерой. Центромера - это структура, расположенная в середине хромосомы, за которую она притягивается к полюсу деления. Фрагмент хромосомы, не связанный с центромерой, не притягивается к полюсу деления и распределяется между дочерними клетками случайным образом. Фрагменты хорошо видны во время метафазы и особенно анафазы, когда все хромосомы притянуты нитями веретена к полюсам деления, а фрагменты остаются по середине клетки. После завершения деления клетки, то есть в интерфазе, фрагменты появляются как микроядра - участки конденсированной ДНК, в то время как почти вся остальная ДНК переходит в деконденсированное состояние.
Неверное воссоединение разрывов, когда при репарации происходит соединение участков ДНК из разных мест одной и той же хромосомы или разных хромосом, во время митоза проявляется в виде хромосомных перестроек.
Возникающие в клетке аберрации подразделяют на хромосомные и хроматидные. Хромосомные аберрации возникают в случае, когда клетка подвергается облучению в предсинтетической стадии цикла или в S-период, но до начала удвоения определенного участка своего генома. При неверном воссоединении оторванных друг от друга фрагментов ДНК такое нарушение воспроизводится во время репликации. Итогом является образование дицентриков - хромосом, имеющих две центромеры, что может сопровождаться появлением ацентрических фрагментов, хорошо видных при сравнении пластинок облученных и необлученных клеток.
Хроматидные аберрации возникают в клетке, облученной уже после завершения репликации всей ДНК или того ее участка, разрыв которого и приведет к формированию аберрации. Разрыв одной из хроматид проявляется в виде ее укорочения и образования ацентрического фрагмента, который будет виден при мета - или анафазном анализе. Разрыв обеих хроматид может проявиться различным образом - образованием двух фрагментов, их слиянием в один (принято говорить о "липкости" концов разорванных хроматид и хромосом, что способствует образованию различных видов перестроек, например, внутрихромосомных обменов) или соединением сестринских хроматид. Кольцевые хромосомы появляются в результате внутриплечевого обмена, происходящего на фоне так называемой интерстициальной делеции (вырезания участка хромосомы внутри плеча с последующим соединением концов интерстициального фрагмента).
В анафазе центромера хромосомы разделяется на две части, которые растягиваются веретеном деления к полюсам клетки. В случае связи хроматид "конец в конец" они вытягиваются между полюсами клетки, образуя "мост".
Аберрации, сопровождающиеся образованием ацентрических фрагментов и дицентриков, получили название нестабильных, так как приводят к гибели самой облученной клетки или ее ближайших потомков из-за невозможности равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками. Перестройки, сопровождающиеся только перемещением участков пораженных хромосом, когда весь генетический материал остается связанным с центромерой и может распределяться между дочерними клетками, относят к стабильным перестройкам, так как они могут передаваться в ряду клеточных поколений, сохраняясь в организации, когда участок генома перемещается в новое для него место, но продолжает функционировать. Примером являются транслокации, когда участок генома перемещается в новое место, но продолжает функционировать.
Из ацентрических фрагментов хромосом, которые из-за отсутствия центромер не были распределены по ядрам дочерних клеток и остались в цитоплазме, образуются так называемые микроядра. Они представляют собой глыбки хроматина, располагающиеся в цитоплазме интерфазой клетки. Количество микроядер на клетку также как хромосомные аберрации используется для оценки поглощенных доз при облучении клетки.
Вывод
Клетки - основные структурные элементы организма, в частности млекопитающих и человека. Разумеется на более высоких уровнях организации живого - тканевом, органном, системном, организменном, популяционном, видовом, биоценотическом, биосферном - вступают в свои права новые закономерности и ограничения в действии радиации. Однако основные события происходят на уровне клеток - атомов животного, точно так же, как в неживой природе главная роль принадлежит взаимодействию радиации с атомами и молекулами вещества. Поэтому, анализируя другие закономерности биологического действия ядерных излучений, мы будем постоянно возвращаться к клеточному уровню.
Литература
1. Зубовский Г.А., Соскин А.М. Учебное пособие по медицинской радиологии - Москва: "Медицина", 1973, 264с.
. Ярмоненко С.П. Клиническая радиобиология - Москва: "Медицина", 1992, 320с.
. Зубовский Г.А. Лучевая терапия - Москва: "Медицина", 1964, 216с.
. Ярмоненко С.П., Вайнсон А. А Радиобиология животных и человека, Учебное пособие - Москва: "высшая школа", 2004, 549 с.
. Григорьев А.Ю. Индивидуальная радиочувствительность - Москва: "Энегроатомиздат", 1991, 80с.