ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Классификация и механизм действия радиопротекторов
Классификация воздействий, модифицирующих лучевое поражение
МОДИФИКАЦИЯ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ЗАЩИТА РАСТЕНИЙ ОТ ЛУЧЕВОГО ПОРАЖЕНИЯ
Проблема модификации лучевого поражения занимает центральное место в радиобиологии, так как с ее решением исчезнет проблема защиты биологических объектов от поражающего действия радиации.
При изучении модификации радиочувствительности учитывают следующие признаки:
1) момент наиболее эффективного воздействия модификатора;
2) природу модифицирующего фактора, или модификатора;
3) уровень, или объем, модификации;
4) знак модификации (положительный или отрицательный, т. е. усиление или ослабление поражения);
5) образование первичных радиационно-химических продуктов.
Факторы и вещества, повышающие радиоустойчивость, называются радиопротекторами (РП). Факторы и вещества, повышающие радиочувствительность, называются радиосенсибилизаторами (РС).
Выделяют два вида действия радиопротекторов: профилактическое действие,которое эффективно до облучения, и терапевтическое,эффект которого проявляется после облучения.
Модификаторы радиочувствительности могут быть различного происхождения: во-первых, химические вещества, которые взаимодействуют с первичными продуктами радиационно-химических реакций (т. е. со свободными радикалами); во-вторых, факторы физической природы, которые водействуют непосредственно на ход радиохимической реакции или косвенно на физиологические процессы, изменяя при этом развитие лучевого поражения. По механизму действия модификаторы разделяются на две группы: модификаторы, которые действуют на развитие лучевого поражения, и модификаторы, которые действуют на репарацию.
Защита растений от радиационного воздействия осуществляется с использованием радиопротекторов. Действие всех радиопротекторов реализуется только через ранние репарационные процессы. Радиопротекторы действуют только перед облучением и во время облучения, при обязательном условии, что сами они не влияют на жизнедеятельность облученных растений.
Модифицирующий эффект оценивается по трем критериям.
Первый критерий– абсолютная величина разности между показателями в опыте (гамма-излучение + модификатор) и в контроле (гамма-излучение в той же дозе, но без модификатора):
МЭ = Пр – П.
Второй критерий– индекс эффекта, или коэффициент защиты:
Кз = Пр/П,
где Пр–средняя величина признака с применением радиопротектора;
П–средняя величина признака без применения радиопротектора (или контроль).
При радиозащитном действии радиопротектора коэффициент защиты должен быть больше единицы.
Третий критерий– фактор изменения дозы (ФИД) – это отношение двух равноэффективных доз, когда в числителе стоит величина дозы в опыте (с использованием радиопротектора), а в знаменателе – в контроле (без использования радиопротектора):
ФИД = ДР/Д.
Количественные оценки действия радиопротекторов получают при сравнении параметров графика «доза – эффект» опыта и контроля. Определяют отношение доз, при которых степень проявления радиобиологических эффектов одинакова в опыте и контроле. Это отношение, или ФИД, показывает, во-первых, степень влияния радиопротекторов на лучевое поражение, во-вторых, во сколько раз нужно изменить дозу облучения, чтобы вызванный ею эффект в опыте был таким же, как в контроле.
Радиосенсибилизаторы используют для усиления поражающего действия радиации и вводят перед облучением растений вместе с кислородом.
В радиобиологии особый интерес вызывают модификаторы радиоустойчивости, потому что проще не допустить лучевое поражение, чем устранять его последствия. Поиск радиопротекторов и механизм их действия находятся в стадии глубокого и всестороннего изучения. Предложен ряд гипотез, объясняющих механизм действия радиопротекторов:
1) гипотеза биохимического шока (действие протекторов задерживает синтез ДНК и РНК, поэтому уменьшается их повреждение при облучении и не нарушается их синтез);
2) сульфгидрильная гипотеза (взаимодействие S-H групп со свободными радикалами способствует уменьшению поражения клеток);
3) гипотеза эндогенного фона (наличие в клетках некоторых веществ (тиолов, гистаминов, серотонина, адреналина), влияющих на ход первичных радиохимических реакций);
4) мембранная гипотеза (повышение устойчивости мембран к облучению при использовании радиопротектора).
Множество других гипотез дополняют друг друга, что указывает на многообразие механизмов модификации радиочувствительности.
Известно более 1000 радиопротекторов, которые эффективны на многих биологических объектах и клетках (от микроорганизмов до человека). На действие радиопротекторов влияют следующие факторы: 1) временной интервал между введением протектора и облучением растений; 2) концентрация и вид радиопротектора; 3) величина дозы, мощность дозы и фракционирование дозы при облучении; 4) стадии развития растений в момент облучения; 5) факторы, влияющие на физиологию растений (температура, влажность, содержание кислорода в атмосфере, освещенность, условия питания и др.).
Протекторы изменяют выход молекулярных повреждений и влияют на их реализацию или проявление. Протекторы используются в низких концентрациях – тысячные и десятитысячные доли моль (10-3–10-4 моль). При изучении действия радиопротекторов семена замачивают, а растения опрыскивают их растворами. Критерии оценки радиочувствительности при использовании протекторов аналогичны критериям оценки радиочувствительности растений без использования радиопротекторов.
На растениях используют шесть групп протекторов, относящихся к различным химическим веществам.
Первая группа:органические вещества, в молекуле которых есть сульфгидрильная группа– дитиопропанол, глутатион, тиомочевина, цистамин, цистеамин, цистеин, цистин и др. Механизм защиты: 1) перехватывают свободные радикалы и присоединяют их к своей молекуле; 2) соединяются с фосфотазами, вызывающими гидролиз ДНК при высоких дозах.
Вторая группа: вещества, способные к окислению и восстановлению– аскорбиновая кислота (восстановленная) и ее соли, этаноламин, гидроксиламин, гидросульфит и метабисульфит натрия, гидрохлорид, перманганат, спирты (метиловый, пропиловый, этиловый). Механизм защиты: 1) являются донорами электронов и протонов; 2) останавливают первичные радиационно-химические реакции; 3) регулируют деятельность ферментов; 4) аскорбиновая кислота увеличивает содержание в клетках цистеина.
Третья группа: вещества антиокислители и антиоксиданты– оксипиримидин, каротин, токоферолы, эфиры галловой кислоты. Механизм защиты: 1) замедляют окисление молекул кислородом; 2) подавляют цепные реакции окисления липидов.
Четвертая группа: митотические яды– колхицин, кофеин, мезонидазол. Механизм защиты: 1) замедляют прохождение клеток по циклу и задерживают деление клеток; 2) уменьшают выход хромосомных аберраций.
Пятая группа: ионы некоторых металлов – растворы солей (марганца, железа, никеля, калия, натрия, магния, кальция) и микроэлементов (цинка, бора, кобальта, молибдена, меди). Механизм защиты: 1) стабилизируют деятельность белков; 2) восстанавливают деятель- ность ферментов, содержащих металлы.
Шестая группа: фитогормоны– гетероауксин, гиббереллины, цитокинины. Механизм защиты – разнообразный.
При совместном использовании (например, кинетина и гетероауксина) эффект защиты усиливается. Многие радиопротекторы содержатся в клетках растений (например, цистеин, цистин, метионин, глутатион, сипантин, спирты, аскорбиновая кислота), поэтому эти растения радиоустойчивы. Водные вытяжки тканей таких растений используются как протекторы.
Кроме химических веществ модификаторами радиочувствительности могут быть также различные факторы физической природы и факторы среды. Факторы физической природы по действию можно разделить на две группы:
- фоновые (температура, магнитное поле, электронномагнитные излучения вне диапазона видимого света, кислород);
- субстратные (свет, который используется для фотосинтеза, минеральное питание).
При изучении влияния температуры на радиочувствительность семян было установлено, что после нагревания семян при температуре более 35 оС возрастает радиоустойчивость, так как уменьшается содержание кислорода и воды в клетках зародыша. При температуре, равной -78 оС (температура сухого льда), поражение семян меньше, чем при оптимальной температуре, равной +18…+20 оС. У растений максимальная радиочувствительность проявляется при оптимальной для роста температуре, потому что при оптимальных температурных условиях ускоряется деление клеток и усиливается их поражение. Повышение и понижение температуры повышает радиоустойчивость, так как замедляется деление клеток, рост и развитие растений.
Влияние света проявляется, во-первых, при накоплении продуктов фотосинтеза, во-вторых, при изменении содержания кислорода в клетках, в-третьих, при изменении физиологических функций, связанных с ростовыми реакциями. Светозависимая регуляторная система растений называется фитохром(протеин с хромофорной группой), который представлен двумя формами: фитохром-660 (Ф660) и фитохром-730 (Ф730). Эти формы поглощают свет с разной длиной волны, равной 60 и 730 нм (нанометров). Установлено, что фитохром-660 более активен в клетке, чем фитохром-730. Облучение растений красным и синим светом с длиной волны 660 нм повышает радиочувствительность, а с длиной волны 730 нм – снижает радиочувствительность. На радиоустойчивость вегетирующих растений свет влияет через фотосинтез, в процессе которого из углекислого газа и воды образуется органическое вещество (глюкоза). Однако, свет может также снижать радиоустойчивость через кислородный эффект, который на свету усиливается. Установлено, что кислород образуется при фоторазложении молекулы воды. Накопление продуктов фотосинтеза способствует увеличению содержания сульфгидрильных соединений, веществ с восстановительными свойствами, поэтому у растений, выросших на свету, повышается радиоустойчивость. Растения, выросшие при дефиците света, более радиочувствительны.
Облучение растений, растущих в оптимальных и улучшенных условиях минерального питания, повышает чувствительность их к радиации, потому что усиливается интенсивность деления клеток и возрастает их поражение. Установлено, что такие питательные элементы растений, как фосфор, калий, кальций, снижают поражение растений при облучении их бета- и гамма-излучением. В то же время известно, что азот усиливает радиационное поражение растений.
Установлено, что большинство протекторов эффективны при остром облучении. Однако, при хроническом облучении такие протекторы малоэффективны или неэффективны совсем. В условиях хронического облучения нужны протекторы специфического действия, которые способствовали бы, во-первых, повышению накопления антиок-сидантов, ингибиторов, нейтрализующих свободные радикалы, во-вторых, способствующие репарации хромосом, ДНК, мембран. Поиск и изучение таких радиопротекторов, надежно защищающих биологические объекты при хроническом облучении, в настоящее время не закончены и являются актуальными направлениями радиобиологии.
Универсальным явлением радиобиологии является кислородный эффект. Он обнаружен на всех уровнях биологической организации. Кислородный эффект – это усиление лучевого поражения при повышении концентрации кислорода по сравнению с поражением при облучении в анаэробных условиях.
Механизмы кислородного эффекта полностью не раскрыты. Неизвестно, какие свойства кислорода обеспечивают его модифицирующее действие. При этом важную роль отводят электронакцепторным свойствам молекулы кислорода, которая является биорадикалом, т. е. обладает способностью присоединять электроны других молекул. Поэтому кислород в клетках очень активен и вступает в следующие реакции:
1) взаимодействие со свободными радикалами воды (Но и ОНо) и радикалами других биологических молекул;
2) фиксация потенциально-летальных повреждений молекул;
3) образование перекисных соединений водорода при взаимодействии с радикалами радиолиза воды (ОНо);
4) образование перекисных и других соединений молекул при взаимодействии с радикалами этих молекул;
5) перевод поврежденных молекул в труднодоступные для репарации соединения.
Количественной характеристикой кислородного эффекта является коэффициент кислородного усиления (ККУ). Он показывает, во сколько раз нужно увеличить дозу при облучении в атмосфере азота, чтобы получить такой же поражающий эффект, как при облучении в атмосфере воздуха (в воздухе кислород присутствует всегда).
Кислородный эффект в клетках зависит от дозы облучения и мощности дозы, содержания сульфгидрильных соединений, концентрации кислорода, условий питания, пострадиационных условий культи-вирования, радиочувствительности и состояния систем репарации. В 1959 году В.И. Корогодин обнаружил, что процессы пострадиационного восстановления в присутствии кислорода происходят быстрее и полнее, чем без кислорода. Очень низкое содержание кислорода подавляет процессы восстановления. Таким образом, кислород играет двойную роль в лучевом поражении, т. е., с одной стороны, он усиливает процессы поражения, а с другой – способствует восстановлению после поражения.
Явление радиосенсибилизации на семенах и растениях изучено значительно меньше, чем на других объектах. В качестве сенсибилизаторов используют кислород и окись азота.
Радиобиологические эффекты растений при остром и хроническом облучении зависят в основном от дозы облучения и радиочувствительности растений. При этом морфологические, физиологические и генетические эффекты при хроническом облучении имеют более щирокое разнообразие, чем при остром. При хроническом облучении природной популяции растений происходит ряд последовательных процес-сов – нарастание уровня мутаций в начале облучения, стабилизация уровня мутаций, изменение структуры популяции, стабилизация популяции на новом уровне изменчивости, радиоадаптация популяции.
Радиоактивное загрязнение природных экосистем – это новый экологический фактор, вызывающий микроэволюционные изменения кариотипа в популяциях травянистых фитоценозов.
ЛИТЕРАТУРА
1. А л т у х о в, Ю.П. Генетические процессы в популяциях / Ю.П. Алтухов. М.: Наука, 1989. 325 с.
2. Г е р ш к о в и ч, И. Генетика / И. Гершкович. М.: Наука, 1968. 697 с.
3. Г р о д з и н с к и й, Д.М. Радиобиология растений / Д.М. Гродзинский. Киев: Навукова думка, 1989. 384 с.
4. Гидробионты зоны отчуждения Чернобыльской АЭС: современные уровни содержания радионуклидов, дозовые нагрузки и цитогенетические эффекты / Д.И.Гудков, В.В.Деревец, М.И.Кузьменко, М.И. Назаров // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: материалы 2-й Междунар. конф., 18–22 октября 2004г. Томск: Изд-во «Тандем-Арт», 2004. С. 167–170.
5. Га й д а н о в, Л.З. Генетика популяций / Л.З. Гайданов. М.: Высш. шк. 1996. 372 с.
6. Генетический эффект в популяциях Pinus sylvestris L. из Восточно-Уральского радиоактивного следа, зоны контроля аварии на Чернобыльской АЭС и района испытания ядерных устройств на семипалатинском полигоне. Радиац. биология. Радиоэкология. / В.А. Кальченко, В.А. Шевченко, А.В. Рубанович, И.С. Федотов, Д.А. Спирин. 1995. Т. 35. С. 702–707.
7. Л а з а р е в и ч, Н.В. Биологическое действие ионизирующих излучений: лекция / Н.В. Лазаревич, Г.А. Чернуха, Т.В. Лаломова. Горки: БГСХА, 2002. 48 с.
8. Радиационное воздействие на хвойные леса в районе аварии на Чернобыльской АЭС / под ред. Г.М. Козубова и А.И. Таскаева. Коми, Науч. центр УрО АН СССР. Сыктывкар, 1990. 136 с.
9. Радиоактивное загрязнение растительности Беларуси (в связи с аварией на Чернобыльской АЭС) / В.И. Парфенов, Б.И. Якушев, Б.С. Мартинович [и др.]; под общ. ред. В.И. Парфенова, Б.И. Якушева. Минск.: Навука i тэхнiка, 1995. 582 с.
10. С и д о р е н к о, П.Г. Результаты цитогенетического мониторинга видов покрытосеменных растений, произрастающих в зоне радионуклидного загрязнения после аварии на Чернобыльской АЭС. Цитология и генетика / П.Г. Сидоренко, Е.Л. Кордюм. Т. 31. № 3. С. 39–46.
11. Та с к а е в, А.И. Эколого-генетические последствия аварии на Чернобыльской АЭС для флоры / А.И. Таскаев, В.А. Шевченко, О.Н. Попова. Сер. препр. «Научные доклады» Коми, Науч. центр Уральского отд-ния АН СССР. / Сыктывкар, 1988. С. 25–29.
12. Я б л о к о в, А.В. Популяционная биология: уч. пособие для биол. спец. вузов / А.В. Яблоков. М.: Высш. шк., 1987. 274 с.
13. Я б л о к о в, А.В. Чернобыль: последствия катастрофы для человека и природы / А.В. Яблоков, В.Б. Нестеренко, А.В. Нестеренко. СПб., 2007. 376 с.