Глава 3. ИНАКТИВАЦИЯ МАКРОМОЛЕКУЛ ПРЯМЫМ ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Глава 3. ИНАКТИВАЦИЯ МАКРОМОЛЕКУЛ ПРЯМЫМ ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В результате облучения макромолекул ;ix биологические функции могут полностью или частично утрачиваться. В этом случае говорят об инактивации макромолекул ионизирующей радиацией. Инактивация макромолекулы может произойти вследствие прямого и опосредованного действия ионизирующего излучения. Прямое действие состоит в том, что инактиви-рованными оказываются те молекулы, которые непосредственно поглотили энергию излучения. Если молекула была поражена активными реакционноспособными продуктами, возникшими за счет поглощения энергии излучения ее окружением, то говорят о непрямом действии радиации.

Прямое действие радиации представляет собой сложную последовательность событий, происходящих от момента передачи энергии излучения макромолекуле и до появления стойких структурных и функциональных изменений. Условно этот процесс может быть поделен на три стадии. На первой, или физической, стадии энергия излучения переносится веществу, возникают возбужденные и ионизированные молекулы, неравномерно распределенные в пространстве. Эти события происходят в первые 10~5— — 10~13 с. Следующая, физико-химическая, стадия состоит из различных типов реакций, приводящих к перераспределению возбужденными молекулами избыточной энергии — появляются разнообразные активные продукты: ионы, радикалы. Эти реакции протекают за время порядка Ю-13—Ю-10 с. Облученные молекулы, находящиеся в различных электронно-возбужденных состояниях, в течение физико-химической стадии имеют много возможностей для дальнейших превращений. Поэтому в веществе, состоящем даже из одного типа молекул, облучение генерирует ионы и радикалы с широким спектром химических свойств. В течение третьей, или химической, стадии действия ионизирующих излучений иоаы и радикалы взаимодействуют друх с другом и с окружающими молекулами, формируя различные типы структурного повреждения. Реакции химической стадии заканчиваются в первые 10~6—Ю-3 с после облучения

Определенные типы структурных повреждений, например разрушение ряда аминокислотных остатков в белковой молекуле иди нуклеотидов в молекуле ДНК, влекут за собой изменения фун<-циональных свойств соответствующих макромолекул. Выяснение причинно-следственных отношений между типами структурных повреждений и характером инактивации макромолекул составляет заключительный этап биофизического анализа механизмов лучевого поражения биологически активных молекул. Такие исследования имеют важное значение не только для радиационной биофизики, но и для молекулярной биологии в целом, так как позволяют выявить функциональную роль отдельных субмолекулярных структур.

В последние два десятилетия успешно развивается особое направление радиационной биофизики — «молекулярная радиобиология», основная задача которой «состоит в исследовании физических и химических процессов, вызывающих повреждение биомолекул, а также в объяснении нарушений жизненно важных процессов в терминах молекулярных изменений»

Биофизический анализ механизмов лучевой инактивации макромолекул состоит в описании в терминах физики и химии всей последовательности процессов, которые начинаются с поглощения молекулой дискретной порции энергии излучения и заканчиваются видимыми, доступными экспериментальному анализу изменениями ее биологических свойств. Такой анализ включает следующие логически связанные этапы.

1. Феноменологический анализ картины лучевого поражения молекул, включающий построение кривых «доза—эффект», изучение радиочувствительности отдельных биологических функций макромолекул.

В расшифровке понятия «биологические функции макромолекул» существует известная неопределенность, связанная с тем, что в настоящее время мы не в состоянии указать весь круг функциональных признаков, определяющих уникальную роль данного типа молекул в жизнедеятельности клеток и организмов. Еще труднее охарактеризовать эти признаки количественно. Однако для некоторых биомолекул уже сейчас можно указать ряд свойств, определяющих их значение в процессах обмена веществ, в хранении и передаче наследственных свойств, в возникновении естественной изменчивости. Анализируя влияние облучения на ферменты, мы прежде всего должны оценить их каталитическую активность, субстратную специфичность, чувствительность ,к соответствующим активаторам и ингибиторам, возможность их алло-стерического регулирования. Если по любому из этих функциональных признаков отмечается эффективность облучения, то мы будем называть такое событие инактивацией фермента ионизирующей радиации. Соответствующими’ биохимическими методами можно оценить степень инактивации количественно.

В экспериментах по облучению нуклеиновых кислот критерием инактивации ДНК может служить изменение ее инфекционное™,

1 Д е р т и н г е р Г., Юнг X. Молекулярная радиобиология. М., Атомиздат, 1973.

трансформирующей активности, способности служить матрицей синтеза соответствующих комплементарных полинуклеотидных последовательностей. Влияние излучения на молекулы тРНК оценивают по их способности связывать специфические аминокислоты. В подобных опытах удается количественно оценить инакти-вирующее действие излучения на нуклеиновые кислоты.

2. Выяснение природы первичных физичеоких процессов, приводящих к инактивации макромолекул, определение параметров «мишени», ответственной за инактивацию. Для решения этой задачи необходим формальный анализ кривых «доза—эффект», сопоставление эффективности излучений с различными ЛПЭ и с различной мощностью дозы, теоретические исследования величин «энергетических пакетов», переносимых молекуле в единичном акте взаимодействия излучения с веществом. Для этой цели привлекаются квантовомеханические представления и сложный математический аппарат.

3. Изучение спектра первичных продуктов, возникающих в результате физико-химических процессов перераспределения избыточной энергии, поглощенной молекулами. Особая роль здесь принадлежит методу электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и другим способам идентификации свободных радикалов.

4. Выявление всех типов структурного повреждения молекул. На этом этапе используется современный арсенал физических и химических методов анализа макромолекул.

5. Установление причинно-следственной связи между типами структурного поражения и характером инактивации макромолекулы. Для решения этих вопросов перспективно использование модифицирующих агентов, видоизменяющих типы структурного повреждения и (или) характер инактивации. Сочетание различных модифицирующих агентов позволяет дифференциально оценить роль тех или иных типов повреждений в инактивации макромолекулы.

Детальное описание всех этапов лучевой инактивации макромолекул составляет одну из важнейших задач современной радиационной биофизики. Эта проблема еще далека от полного разрешения. Однако уже сегодня можно говорить о важнейших деталях и указать основные направления, по которым развиваются исследования.