НАЧАЛО ВСЕХ НАЧАЛ

Давайте думать о настоящем. Если мы не будем этого делать, то вскоре не будет и будущего

ОЛДОС ХАКСЛИ

Радиационная биохимия — старшая сестра молекуляр­ной радиобиологии, с которой мы уже знакомы Радиаци­онная биохимия изучает химические процессы в живом организме при действии ионизирующей радиации Каза­лось бы, все просто: надо иметь представление о биохими­ческих процессах, идущих в здоровых тканях, и тогда можно понять, что произойдет в них при облучении Увы, этих знаний не хватит Потребуется знакомство с основами ядерной физики.

Мы нередко недооцениваем сложность научных про­блем, над которыми сами не работаем, но о которых кое- что слышали.

 

Недавно Один довольно известный в научных кругах физик так изложил свое понимание радиационной биохи­мии.

Все ясно,— начал он и нарисовал на черной доске жирной линией кружок, к которому была пририсована из­вилистая стрелка — символ ионизирующей частицы или кванта энергии.— Этот квант энергии должен поглотить­ся тканью.

Физик весело и снисходительно посмотрел на слуша­телей, как бы говоря: уж такие-то вещи надо бы знать.

Поглощенная энергия вызывает ионизацию молекyл или их «возбуждение». «Возбужденные» молекулы могут отдать энергию обратно в виде тепла. Но другая часть «возбужденных» молекул может и не отдать энер­гии, а вступить в необычные для клетки реакции Вот эти необычные реакции и составляют предмет изучения ра­диационной биохимии. Как видите, все очень просто.

Физик стер мокрой губкой с доски кружок с извили­стой стрелкой и удовлетворенный сел на место. Он и не представлял, что дал слишком упрощенное представление о радиационной биохимии. Эта наука изучает проблемы несоизмеримо более сложные.

Попробуем представить себе, что произойдет, если каж­дая клеточка живого организма подвергнется неожиданной бомбардировке ионизирующими частицами?

Возьмем черный фламастер и белый лист ватмана Мысленно рассечем клетку пополам и жирной линией на­рисуем то, что видим. Вот липидно-белковая мембрана оболочки. Липидная — иными словами: состоящая из жироподобных веществ. Вот ядро клетки, хранящее всю ге­нетическую информацию в молекулах дезоксирибонуклеи- новой кислоты Здесь же в ядре происходит биосинтез молекул рибонуклеиновых кислот. Они отличаются от первых своим сахарным остатком Внутри ядра заметно не­большое образование — ядрышко. Оно также связано с биосинтезом рибонуклеиновых кислот В клетках печени видны многочисленные очень маленькие частицы — мито­хондрии. В них сосредоточены ферменты дыхания и фер­менты образования аденозинтрифосфорной кислоты — основного энергетического резерва и «горючего» клетки.

Самые маленькие образования в клетках—рибосомы.

Под микроскопом видно тонкое строение клетки.

 

«фабрики» белка, на которых происходит сборка белковых молекул

Другие мельчайшие образования клетки — лизосомы. В них сконцентрированы ферменты распада. Они выпол­няют очистительную функцию. Все пространство между клеточными образованиями заполнено прозрачной жидко­стью — гиалоплазмой Здесь концентрируются различные ферменты, выполняющие самые разнообразные задания Но гиалоплазма не просто жидкость. Она вся пронизана перемычками и стенками. На этих стенках ферменты, в известном смысле, закреплены, или, как часто говорят, «структуирпваны». Наконец, в гиалоплазме видны и дру­гие образования, напоминающие пузырьки неправильной формы,— так называемые вакуоли. В этих вакуолях соби­раются различные вещества, которые выделяет клетка.

Общая схема клетки нарисована Но она несет нам примерно столько же информации, сколько черно-белая любительская фотография вашего лучшего друга. Как буд­то много и в то же время мало. Внутренний мир этого человека во многом скрыт от постороннего Если мы захо­тим узнать больше о тонком строении клетки и ее состав­ных частей, придется воспользоваться электронным микро­скопом Войдем в лабораторию, в которой установлен та­кой прибор В комнате царит полумрак Шторы плотно завешены. Горит только небольшая лампа у пульта управ­ления. Как марсианская машина уэллсовской «Войны ми­ров», высится электронный микроскоп, совсем не похожий на обычный оптический. Инженер гасит лампу и вклю­чает машину. На экране возникает изображение клеточной мембраны — ее небольшого участка

Она как трехслойный бутерброд. За слоем белковых мо­лекул расположен двойной слой липидов, а затем снова слой белка. Толщина мембран составляет около десяти миллионных долей миллиметра Внутриклеточная мембра­на чем-то напоминает мозаику, так как она построена из разнообразных белков и различных липидов. Внутренняя мембрана митохондрий покрыта многочисленными склад­ками, которые усыпаны сферическими частицами. Каждая из них — настоящий ансамбль ферментов.

Инженер выключает электронный микроскоп Мы опять возвратились в макромир, привычный нашему глазу.

Электронный микроскоп совсем пе похож на обычный оптический.

 

Электронный микроскоп помог увидеть структуру мель­чайших составных частиц клетки Но удивительное дело: после его изобретения стало очевидным, как мало еще знают ученые о строении живой ткани.

А теперь представим себе, что мы волшебники и можем вдохнуть жизнь в схематическое изображение клетки

Вообразим, что каждая молекула окрашена в опреде­ленный цвет. Аминокислоты — как пестрые знамена раз­личных государств. Красные молекулы — дезоксирибонук- леиновой кислоты Черные — рибонуклеиновой. Голу­бые — глюкозы. Желтые — липиды И все они имеют свой неповторимый размер и форму. Представим себе, что все разноцветные молекулы начали перемещаться по своим индивидуальным путям с различной скоростью и в разных направлениях. Первое впечатление — цветовой хаос, не­объяснимость явлений Вероятно, с таким же изумлением смотрели бы наши прадеды на бесконечно бегущие авто­мобили на центральных улицах столицы в часы «пик».

Но в живой клетке все процессы теснейшим образом взаимосвязаны, взаимообусловлены, скреплены родствен-

Клетка живет. Но для всех процессов синтеза и сохра­нения структуры клетки нужна энергия Углеводы и жиры с помощью ферментов окисляются. Продукты их обмена подвергаются дальнейшему окислению в митохондриях, а образующаяся при этом энергия запасается в молекулах аденозинтрифосфорной кислоты Эта кислота — универ­сальное биологическое горючее Если совершается работа или идет образование новых молекул, ее присутствие со­вершенно необходимо.

 

В живой клетке непрерывно осуществляется синтез белка В жидкой части клетки аминокислоты присоединя­ют остаток фосфорной кислоты и тем самым активируются. Так называемая транспортная рибонуклеиновая кислота «подхватывает» такую активированную аминокислоту и переносит ее к рибосоме Эта рибонуклеиновая кислота, как заботливая стюардесса, «усаживает» аминокислоту на опре­деленное место в строящейся белковой цепочке. Индивиду­альность белка зависит от последовательности аминокис­лот в молекуле В клетке и в железах внутренней секреции постоянно вырабатываются низкомолекулярные соедине­ния, которые носят название «эффекторов». С помощью белков, рибонуклеиновых кислот и «эффекторов» отдель­ные участки молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты могут «закрываться» или «открываться». На открытых участках дезоксирибонуклеиновой кислоты происходит синтез информационной рибонуклеиновой кислоты Послед­няя уже с помощью транспортной рибонуклеиновой кис­лоты «сообщает», какой белок необходимо строить из ами­нокислот на «белковой фабрике» — в рибосомах.

И опять все, что мы видели в ожившей клетке,— толь­ко незначительный ее кусочек, маленькая лаборатория огромного института!

А если из источника ионизирующей радиации в клетку ворвется поток энергии и она будет поглощена? Если раз­дастся этот беззвучный снайперский выстрел?

Количество поглощенной энергии даже при смертель­ных для человека дозах ионизирующей радиации ничтож­но мало.

Поглощенная доза любого ионизирующего излучения измеряется в радах. 1 рад равен 100 эргам, поглощенным одним кубическим сантиметром живой ткани. Один эрг — это работа, производимая силой в одну дину на расстоянии одного сантиметра И эта работа очень маленькая. Подсчи­тали, что когда человек моргает глазами, то при одном под­нятии век совершается работа, примерно равная одному эргу Значит, стоит моргнуть 100000 раз, и совершится работа в 100 000 эрг Но если 100 000 эрг поглотится 1 ку­бическим сантиметром ткани, то это значит, что доза по­глощенной энергии составляет 100 рад А поглощенная доза радиации в 1000 рад убивает человека.

Незначительное количество поглощенной энергии — и огромный биологический эффект. Это один из самых зага­дочных феноменов радиобиологии.

Организм животного облучили ионизирующей радиаци­ей. Кванты энергии ворвались в клетку Та часть энергии, которая поглотилась, немедленно преобразовалась в воз­бужденные и ионизованные атомы и молекулы. Житей­ское слово «немедленно» должно иметь конкретный физи­ческий смысл. Этот кусочек времени так мал, что его труд­но представить. От секунды надо взять одну миллиардную часть, а от нее отделить еще одну десятимиллионную крупицу времени. Именно в течение такого промежутка времени образуются ионизированные и «возбужденные» молекулы. Пройдет еще одна стотысячная секунды, и в мо­лекулах произойдут молекулярные изменения.

 

Но на практике — при лечении раковых заболеваний, при несчастных случаях — облучение часто продолжается более длительное время. А это значит, что каждый из «мгновенно» протекающих процессов повторялся много­кратно в течение всего периода облучения Следовательно, все время происходили и молекулярные изменения, кото­рые вызывали искажение биохимических и физиологиче­ских реакций При облучении первичные, вторичные и по­следующие процессы наслаиваются один на другой и усложняют общую картину лучевого поражения Биохи­мический хаос нарастает, и порочные круги замыкаются.

Но надо помнить, что кванты энергии несоизмеримо малы по сравнению с атомами и молекулами. Для квантов энергии клетка в определенном смысле «дырява». При об­лучении часть квантов пройдет клетку насквозь и не вы­зовет никаких биологических эффектов Но другая часть энергии все же поглотится, и она поразит клетку.

Ионизирующая частица обычно имеет энергию до ты­сяч килоэлектрон-вольт Для разрыва химической связи в молекуле нужна энергия не больше ста электрон-вольт Поэтому влетевшая в клетку ионизирующая частица сво­бодно может вырвать электроны из атомов и разорвать не­которые химические связи Если изменяется химическая структура молекулы, то одновременно с этим меняются и ее химические свойства А это означает или начало смерти клетки, или начало тяжелой болезни.

При облучении процессы ионизации, возбуждения мо­лекул, образование измененных молекул происходят одно­временно во всех частях клетки и во всех тканях. Луче­вое поражение начинается сразу во многих точках.

Одновременно с этим процессом в организме активизи­руются системы, которые исправляют или, иными словами, «репарируют» измененные радиацией биохимические про­цессы.

Конечный результат—выживает клетка или погибает— зависит от этих противоположно направленных действий.

 

При облучении в клетке начинается жестокая «война». Чем выше доза облучения, тем сильнее нападающая сто­рона. Много клеток страдает в результате «прямого» попа­дания квантов энергии в «мишень» — молекулы биологи­чески важных веществ. Значительно больше образуется продуктов «косвенного» действия радиации: продуктов ра­диационного распада воды, активных осколков молекул — радикалов, так называемых первичных радиотоксипов — ядовитых для организма соединений, различной химической природы.

Радиационная тревога! Пострадавшая клетка мобили­зует все силы для защиты, для восстановлепия Как ава­рийные команды, работают ферменты, «выщепляющие» поврежденные молекулы дезоксирибонуклеиновой кисло­ты, ферменты, сшивающие эти поврежденные молекулы

Рядовому солдату картина развернувшейся битвы на большом участке фронта не представляется ясной Он ви­дит своими глазами немного На картах армий и фронтов события приобретают масштабность Разверпувшаяся бит­ва сжимается до размеров географической карты Но зато рядовой солдат на самом себе чувствует, что значит острие стрелки, нацеленной на штабной карте на его участок фронта

Первые эшелоны нападающих — первые кванты до клеточной мембраны. Она — как первая оборони­те 1ьная линия Ее топкое строение нам известно Мы ви­дели его в электронный микроскоп Трехслойная липидно- бе чновая мембрана, ферменты, расположенные в строго определенных местах

Первая квантовая бомбардировка Нарушены прони­цаемость мембран, изменяется упорядоченность ферментов И пожалуй, одно из главных последствий радиационного воздействия — нарушается четкая согласованность рабо­ты Лорментиых ансамблей.

Железная диалектика связи «причины» и «следствия» не медленно вступают в силу

Например, изменилась структурированность фермен­тов Это «причина» И «следствие» ненормально активи­зирование!. некоторые ферменты распада В результате этого усилилось разрушение молекул, исказился обмен веществ И отдаленное «следствие» — может наступить самопереваривание и гибель клеток.

Представим себе, что радиационная бомбардировка клетки продолжается.

 

В ядре клетки эпергия захвачена непосредственно мо­лекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты Произошло прямое попадание «снаряда» В отдельных участках моле­кулы произошли разрывы и повреждения Нарушилась и проницаемость ядерной мембраны Сквозь нее, как враже­ские лазутчики, стали проникать отдельные радиотоксины и ферменты из других органелл клетки Специальные фер­менты начинают расщеплять молекулы дезоксирибонуклеиновой кислотой. И через 2—3 часа наступает катастрофи­ческое уменьшение ее молекулярного веса. В микроскопе видны следы радиационного нападения: грубые поломки, перестройки, образование мостов...

Все это вскоре приведет к задержке деления клетка. А если доза облучения была значительной, то в дальнейшем деление становится невозможным. Через поврежден­ную мембрану ядра начинают «уходить» ферменты, обес­печивающие клетку энергией. Ядро клетки начинает утра­чивать собственную «энергетическую базу». Жизнедея­тельность ядра угасает.

Если же радиационный удар был не столь массирован­ным, то легко заметить работу «аварийных команд» клет­ки. Процессы восстановления начинаются вскоре за «напа­дением» Специальные ферменты «вырезают» поврежден­ные участки дезоксирибонуклеиновой кислоты, другие ферменты «сшивают» поврежденные цепи молекул. Недо­статок энергии начинает компенсироваться за счет друго­го, более радиоустойчивого процесса — биохимического превращения углеводов.

Что произойдет, если энергия ионизирующей частицы поглотится в митохондриях? Именно в них в результате процессов окислительного фосфорилирования образуется энергия После облучения сократительные белки сжались, исказили тонкую структуру митохондрий, нарушили рабо­ту ферментных ансамблей. Митохондрия начинает меньше производить энергии. Что за этим последует, легко пред­ставить. Вообразим на мгновение, что случится в большом современном городе, если прекратится его снабжение электроэнергией. Померкнет свет, остановятся заводы, транспорт.

А если кванты ионизирующей радиации будут погло­щены в рибосомах?

Тогда радиацией может быть поражена сама «белковая фабрика» Это грозит гибелью.

Радиационная атака достигла лизосом. Внутри их боль­шой набор ферментов, вызывающих переваривание всех чужеродных частиц, попадающих внутрь клетки. Лизосомы — биологическая фабрика по переработке «отбросов». Мембраны лизосом могут поразиться, например, непосред­ственно квантами энергии. В этом случае ферменты начи- вают выходить из лизосом внутрь клетки. «Джинн» выпу­щен из бутылки. Теперь слепая сила ферментов становится опасной. В течение немногих минут они способны расще­пить сотни тысяч молекул субстрата, Наступает процесс самопереваривания клетки.

Другой случай: кванты поглощены гиалоплазмой клет­ки — ее «жидкой» частью По пути от поверхности клеточ­ной оболочки до любой микроструктуры ионизирующая ра­диация пронзает слой гиалоплазмы. В среднем в клетке довольно много — до 85 процентов — воды, ро вся она «структурирована». Фактически гиалоплазма — это бес­численные микроячейки, нечто вроде квартир в высотном доме. В гиалоплазме также видны многочисленные ка­нальцы, прослойки и полости. И в современном высотном доме мы тоже обнаружим хитроумную сеть канализацион­ных и водопроводных труб, сложную сеть перекрытий, систему коридоров и холлов.

На поверхности этих внутриклеточных мембран фик­сированы многочисленные комплексы ферментов. Эти фер­менты отвечают за многообразие метаболических процес­сов в клетке — за обмен белков, жиров и углеводов. Поток квантов «ударил» по мембранам. Деятельность всех фер­ментных систем дезорганизуется, искажается минераль­ный обмен и такая его важная часть, как обмен натрия и калия. Калия внутри клетки всегда значительно больше, чем натрия. Мембраны активно «откачивают» натрий из клетки В результате облучения «натриевый насос».

Радиационная бомбардировка клетки произошла. Фи­зики подсчитали дозу облучения — 1000 рентген. Попробу­ем определить, сколько при этом образовалось возбужден­ных и ионизированных молекул. Конечно, этот расчет во многом приблизительный. В целом в «усредненной клет­ке» одновременно возникло около трех миллионов таких возбужденных и ионизованных молекул. Три миллиона одномоментно прозвучавших «взрывов»! В ядре клетки — около миллиона. Примерно столько же в митохондриях В гиалоплазме — около полумиллиона. В лизосомах — две­сти тысяч.

Остальные триста тысяч распределяются между дру­гими органеллами клетки.

Мы рассказали о том случае, когда доза облучения бы­ла смертельной для всех млекопитающих и человека.

 

А какие процессы произойдут в клетке, если доза облу­чения составит всего сто рентген? Тут мы можем встре­титься с так называемыми отдаленными последствиями лу­чевого поражения, которому предшествует период «мни­мого благополучия».

К сожалению, у человека нет органов чувств, способ­ных ощущать радиацию. В принципе при дозе 100 рент­ген могут наблюдаться все те же процессы, с которыми встречаются и при дозе 1000 рентген Однако число цент­ров поражения после радиационной бомбардировки будет значительно меньше, а процессы восстановления — эффек­тивнее.

Если в результате какой-то аварии человек облучится в дозе 100 рентген, то вряд ли он что-либо ощутит в бли­жайшую неделю.

Однако это благополучие мнимое.

Поражение ряда радиочувствительных процессов все же будет иметь место Но возможности для восстановитель- пых процессов окажутся более благоприятными.

В одном случае восстановительные процессы залечат все раны, нанесенные радиационной атакой. Во втором — следы войны останутся Если произошли серьезные нару­шения генетического аппарата, то могут встретиться от­дельные случаи лучевого поражения- увеличится число уродств в потомстве, появится преждевременное постаре­ние

Теперь представим себе, что доза облучения еще мень­ше — например, 10 рентген. Заметить влияние такой дозы на млекопитающих даже современными биохимическими методами дело не простое

В этом случае ученые пытались облегчить себе задачу: облучали экспериментальных животных, обычно мышей и крыс, ежедневно в течение длительного времени ионизи­рующей радиацией в 10 рентген. Было замечено, что сроки жизни облученных родителей и их необлученного потом­ства укорачивались Следовательно, такое облучение тоже весьма нежелательно для млекопитающих и, конечно, для человека.

Какая доза облучения может считаться допустимой для организма? Знать это очень важно, потому что сотни тысяч людей на нашей планете работают в атомной промышлен­ности

 

Есть понятие «допустимая доза облучения». В ее осно­ву положены рекомендации Международной и Советской комиссий по радиационной защите В них учтены резуль­таты работ советских ученых и рекомендации Междуна­родного агентства по атомной энергии

Чем больше изучают радиобиологические закономерно­сти, тем они кажутся сложнее Лавина эксперименталь­ных фактов нарастает, и надвигается опасность «не уви­деть леса за деревьями»

Неужели ученые не пытались создать единой теории радиационного воздействия на организм' Нет, такие тео­рии существуют Послушаем, как их могли бы изложить теоретики современной радиобиологии

Идет заседание секции радиационной биохимии Всесо- юлтого общества биохимиков

Со стула поднимается высокий пожилой человек Он спокойно подходит к доске, берет спчьпычи пальцами мел п чертит две взаимно перпендикулярные линии

— На горизонтальной оси,— говорит оп,— будет изо­бражаться какой-то «результат» деиствия ионизирующей радиации, а на вертикальной — доза облучения биологиче­ского объекта в рентгенах Облучим какие-нибудь простей­шие организмы, например дрожжп, и построим соответ­ствующий график Получим соответствующую кривую, ко­торую радиобиологи называют кривой «доза-эффект» Она чем-то напоминает английскую букву «Б» («эс»)

Это графическое изображение теории «мишени» Она ртсивалась в блестящих работах К Циммера, Д Ли, Н В Тимофеева-Ресовского В 1969 году К Циммер вы­ступил с лекцией, которую озаглавил «От теории мишени I, молекулярной биологии» Обратите внимание «от тео­рии мишени» Оп говорил, что, по его мнению, нарушения в структуре дезоксирибонуклеиповой кислоты при облучении возникают и в том случае, если она поражается другими химическими соединениями, образующимися на некотором расстоянии от нее

Ну, а если «мишень» поражена. Можно ли ее «почи­нить»

 

Теория «мишени» не давала ответа на этот вопрос Противоположностью теории «мишени» явилась тео­рия «множественного» поражения клетки при действии ионизирующей радиации Эта теория была сформулирова­на О. лугом и А Келлером Авторы развивали идею «мно­жественного» поражения клетки квантами ионизирующей радиации «Поражение наступает сразу и во многих ме­стах»,— говорили они. Ставшую классической и вошед­шую во все учебники по радиобиологии Э-образную кри­вую Хуг и Келлер объяснили по-своему и с других пози­ций. С помощью математической обработки авторы доказали, что объяснение характерной Б-образной формы может быть найдено, если учитывать существование в клетке мощной системы восстановления, наличие «почи­ночных» ферментов и механизмов «компенсации». , Теперь отправимся в подмосковный город Пущино-на- Оке, в Институт биофизики Академии наук. Современное здание смотрит большими окнами на березовые перелески, широкие поля и заливные приокские луга. Зайдем в био­химическую лабораторию и попросим члена-корреспонден­та Академии наук А. М. Кузина рассказать о своей теории радиационного воздействия.

— Любой радиационный эффект,— говорит ученый,— наблюдаемый в активно живущей клетке, является ре­зультатом развития множественных процессов На нор­мально идущие биохимические процессы накладываются другие процессы, возникающие в клетке при поглощении ионизирующих частиц ее многочисленными составными частями. Радиационное воздействие вызвано не только «прямым» поражением биологически важных молекул. Конечный результат определяют не только процессы вос­становления пораженных структур. Важную роль играют и вторичные поражения ответственных структур клетки так называемыми радиотоксинами — веществами различной химической природы, возникающими при облучении. Ра­диотоксины могут возникнуть в одном месте клетки, а поражать могут «на расстоянии». Концентрация этих ве­ществ может меняться и в момент облучения, и в период, протянувшийся после лучевого воздействия.

Когда существует несколько гипотез, это значит, что не хватает экспериментальных фактов Но в этом нет ничего удивительного. Наоборот, это закономерно для всех наук, в том числе для радиационной биохимии.

Евгений Романцев. "Рожденная атомом"

__________________________