32. Клетки и биологические повреждения от ионизирующего излучения

32. Клетки и биологические повреждения от ионизирующего излучения

Различные части тела человека созданы из микроскопических стандартных строительных блоков, называемых клетками. Клетки, которые выполняют одинаковые функции, сгруппированы вместе и образуют биологическую ткань, например, мышечную ткань. Различные ткани могут группироваться вместе и составлять орган, например, сердце. Органы, сгруппированные вместе, образуют системы организма такие, как системы, рассмотренные в предыдущем разделе.

2.1 Клеточные структуры

Большинство клеток тела состоят из следующих трех основных составляющих:

  • клеточных мембран, которые формируют границы клетки. Через клеточную мембрану вещества проходят внутрь клетки и покидают ее.
  • ядер, которые контролирует функции клетки, особенно рост и деление; и
  • цитоплазмы, которая представляет собой жидкую субстанцию внутри клетки и во многих ее функциональных частях. Большинство химических превращений, происходящих в клетке, происходят в цитоплазме.

Ядро клеток тела человека состоит из 46 хромосом, каждая из которых состоит из тонких фиброзных нитей, состоящих из генов. Эти гены строятся из молекул белков и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК несет всю генетическую информацию о физиологических и ментальных (психических) характеристиках человека. Она также обеспечивает передачу этой информации от одного поколения клеток другому.

В Таблице 2 обобщены сведения о структуре клеток тела человека.

Таблица 2

Обобщенные данные о структуре клетки

Часть клетки Описание
Клеточная мембрана Обеспечивает передвижение веществ в клетку и из нее.
Цитоплазма В ней протекает большинство химических процессов.
Ядро Управляет клеткой.
Хромосомы Состоят из фиброзных нитей генов.
Гены Состоят из белков и ДНК.
ДНК Несет генетическую информацию.

2.2 Клеточное  деление

Особенностью большинства клеток тела является то, что они проходят через стадию воспроизведения, в течение которой они делятся и формируют точную свою копию. Каждая клетка делится на две новых, а хромосомы её ядра основной участник этого процесса. Красные кровяные клетки (эритроциты) не имеют ядер и поэтому неспособны к делению. Это означает, что новые эритроциты должны постоянно производиться, этот процесс непрерывно идет в красном костном мозге.

Клеточное деление – это непрерывный процесс в таких частях тела, как например эпителий желудочно-кишечного тракта. Для взрослых продолжительность деления клеток может составлять часы или даже дни. У детей или плода в утробе матери это более быстрый процесс, длительность которого может быть менее 20 минут. Если радиационное повреждение клеток происходит во время клеточного деления, то наблюдается большая степень повреждения. Поэтому маленькие дети и плод в утробе матери из-за более быстрого деления клеток имеют больший риск пострадать от облучения. По этой же причине раковые опухоли (быстро делящиеся клетки) также получат большие повреждения от радиации, чем нормальные ткани.

Мужчины и женщины постоянно вырабатывают половые клетки. У мужчин они называются сперматозоиды, а у женщин – яйцеклетки. Они образуются в половых органах или гонадах (яички у мужчин и яичники у женщин). Эти клетки содержат только половину хромосом (23 вместо 46), и во время полового размножения сперматозоид и яйцеклетка соединяются, образуя клетку с 46 хромосомами. Половые клетки очень важны, так как они передают наследственные признаки следующему поколению.

2.3 Лучевое повреждение

2.3.1 Повреждение клетки

Лучевое повреждение происходит, когда ионизирующее излучение вмешивается в нормальное функционирование клетки, прямо или косвенно повреждая клетку.

Прямое повреждение происходит, когда излучение попадает в критическую область клетки (такую как ДНК) и напрямую вызывает ионизацию молекулы.

Непрямое (косвенное) повреждение происходит как результат образования химически активных групп атомов, называемых свободными радикалами, внутри клетки. На 80% клетка состоит из воды. Когда излучение ионизирует молекулы воды, образовавшиеся ионы взаимодействуют с другими молекулами воды. Два образующихся продукта, Н (атом водорода) и ОН (гидроксильная группа), очень химически активны, так как они включают непарные электроны. Другой продукт химической реакции в клетке это пероксид водорода (H2O2), который также очень химически активен. Эти активные группы атомов могут вмешиваться в нормальные процессы в клетке, разрывая химические связи, такие как связи между атомами углерода в молекуле ДНК. Это приводит к разрыву молекулы ДНК, что в дальнейшем может воспрепятствовать делению клетки. Свободные радикалы также могут вызывать повреждение ферментов (химизм которых важен для функционирования клетки) или мембран (нарушая перенос веществ). Это последовательность событий приведена на Рисунке 7.

Механизм косвенного повреждения клетки

2.3.2     Эффекты повреждения клетки

Лучевое повреждение отдельных клеток результат повреждения ДНК. Три основных вида последствий этих повреждений могут быть представлены следующим образом:

  • клетка может погибнуть;
  • в клетке могут происходить изменения, приводящие к неправильному делению клетки; или
  • генетический материал клетки может измениться, и такое изменение будет передано новым клеткам.

Отметим, что ионизирующее излучение не вызывает каких либо повреждений клетки, которые не могли бы быть вызваны другими агентами, например такими как химикаты или вирусы.

2.3.3     Восстановление клеток

Клетки имеют очень эффективный механизм восстановления (репарации) и могут восстанавливаться после повреждения, вызванного многообразными факторами, включая радиацию. Если мощность дозы, приводящая к повреждению клетки, относительно небольшая (т. е. облучение низкими дозам в течении длительного периода времени), то вероятность восстановления клетки выше. Ситуация, когда облучение происходит постоянно в течение длительного периода (например, месяцы и годы), называется хроническим облучением. Это наиболее общий тип облучения населения (от природных источников) и работников, деятельность которых связана с источниками ионизирующего излучения..

И наоборот, если мощность дозы, при воздействии на клетки, велика (т. е. облучение высокими дозами в течение короткого периода времени), то клетки имеют меньше времени на восстановление и вероятность репарации клетки намного ниже. Ситуацию, когда облучение происходит в течение короткого периода времени (например, часы и дни), называется острым облучением. Такой тип облучения может иметь место при аварийных ситуациях.

Механизм восстановления клетки является важным понятием в лучевой терапии раковых больных. В этом случае высокая суммарная доза поступает в малый объем фракционировано, а не как однократная доза. Это делается для того, чтобы здоровые ткани, расположенные вблизи опухоли, имели время для восстановления, тогда как раковые ткани, в которых после облучения намного больше поврежденных клеток не успевают восстанавливаться.