Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 208
Скачиваний: 0
развитием работ в области молекулярной генетики, а также с изучением механизмов генетического действия радиации.
Накопленный в настоящее время экспериментальный мате риал показывает, что под действием излучения нуклеиновые кис лоты в водных растворах претерпевают следующие химические изменения: 1) дезаминирование- и декарбоксилирование; 2) разрыв связей между сахаром и основанием (освобождение оснований); 3) распад пуриновых и пиримидиновых оснований; 4) окисление углеводной компоненты; 5) разрыв нуклеотидной цепи и высвобождение неорганических фосфатов; 6) образова ние гидроперекисей пиримидиновых оснований.
Необходимо отметить, что большинство перечисленных ра диационнохимических эффектов наблюдается при облучении в дозах порядка 103 рад и более.
Установлено, что пуриновые основания более радиочувстви тельны, чем пиримидиновые. Это соотношение характерно так же для нуклеозидов и нуклеотидов. Глюкозирование основания и фосфорилирование нуклеозида приводят к увеличению радио устойчивости всех оснований. При облучении растворов нуклео тидов и ДНК образуется неорганический фосфат и лабильные фосфорные эфиры. Относительная радиоустойчивость свободных оснований выражается следующим рядом: аденин>гуанинЗ> » цитозин^ тимин.
Большую роль в обеспечении стабильности двойной спирали ДНК играют внутриструктурные межмолекулярные взаимодей ствия (водородные связи).
Есть основания предполагать, что радиационная деструкция ДНК в первую очередь связана с разрывом именно этих мало энергетических, а не химических связей. Нарушение межмолеку лярных и водородных 'связей приводит к разрыхлению двойной спирали ДНК, что облегчает последующие разрывы молекулы ДНК по более прочным химическим связям. При этом разрыв молекул ДНК происходит лишь тогда, когда образуются два противолежащих разрыва в двойной спирали ДНК. Хорошо наблюдаемым эффектом радиационной деструкции ДНК явля ется уменьшение вязкости растворов ДНК с увеличением дозы излучения. Данных о действии радиации на белковую компонен ту нуклеопротеидного комплекса (ДНП) очень мало. Имеющие ся немногочисленные данные свидетельствуют о довольно высо кой радиоустойчивости белковой компоненты ДНП. Подобно свободным белкам заметные нарушения структуры и денатура ция ДНП наблюдаются при облучении в дозах больше 103 рад. Установлено, что белковая компонента ДНП оказывает защит ное действие на ДНК: при облучении ДНК в составе ДНП чис ло разрывов в цепочке ДНК уменьшается. Это явление может быть обусловлено, с одной стороны, большой структурной устойчивостью ДНК в комплексе ДНП, а с другой, — уменьше
но |
, |
• |
нием геометрических размеров (мишени) молекулярного клубка ДНК при образовании ДНИ.
Выше отмечалось, что при облучении растворенных в воде веществ наблюдается и прямое и косвенное (через продукты радиолиза воды) действие излучения. Остановимся на этом не сколько подробнее.
Прямое действие и теория мишеней. Прямое действие иони зирующих излучений — непосредственные радиационнохимиче ские акты превращения молекул под действием проходящих че рез них ионизирующих частиц (акты прямого радиационного, «поражения» молекул). К таким актам можно применить стати стический подход, подобный тому, который используется для расчета выхода ядерных реакций или числа актов столкновений в теории прохождения излучений через вещества.
Пусть в данном растворе имеется N молекул растворенного вещества и раствор подвергается действию ионизирующего из лучения с плотностью потока /.
Число актов радиационнохимического превращения молекул за единицу времени пропорционально плотности потока излуче
ния и числу молекул в данный момент, т. е. |
|
|
|
dN = — oINdt, |
(4.1) |
где о — коэффициент |
пропорциональности — характеристиче |
|
ская постоянная, имеющая физический смысл площади эффек тивного сечения радиационнохимической реакции как меры ее вероятности.
Плотность потока излучения пропорциональна мощности до зы излучения P = D/t, т. е. I=kP, где k — переходный коэффи
циент, поэтому вместо (4.1) можно написать |
|
dN = — okPNdt. |
(4.2) |
Интегрируя (4.2), получаем формулу для расчета числа остав шихся неизменных молекул к моменту времени t
Nt = Nne~akPt, |
(4.3) |
где N0— число молекул в начальный момент времени. Так как Pt=D, т. е. дозе излучения, из (4.3) получаем
Nt = N0e~akD, |
(4.4) |
откуда число измененных молекул (выход)
AUx = N0- N t = N0( 1 - |
e~okD). |
(4.5) |
Из (4.4) и (4.5) вытекает ряд следствий. |
|
(радиационно |
1. Число неизмененных и измененных молекул |
||
химический эффект) пропорционально |
общему |
числу молекул |
вначальный момент.
2.Число неизмененных и измененных молекул находится в экспоненциальной зависимости от дозы излучения.
111
3. |
При постоянной |
дозе D = const относительный выход |
Nвых/Nо = 1—е_ aftD=const; |
аналогично относительная убыль чис |
|
ла исходных молекул A^</iVo = e_CTft-D= const.
Перечисленные основные следствия можно рассматривать в качестве признаков прямого действия радиации.
Приведенные выше положения получили название теории ми шеней.
Если радиационнохимические превращения осуществляются по механизму прямого действия, то по кривым относительного выхода [см. формулу (4.5)] можно рассчитать эффективное сече ние прямого радиационнохимического превращения. Определе ние этих эффективных сечений позволяет, в свою очередь, оце нить размеры молекул, подвергаемых радиационному воздейст вию. В более широком плане радиационнохимические превра щения дают довольно богатую информацию о строении вещест ва, прочности тех или иных связей и т. д.
Косвенное действие и эффект разведения. При облучении водных растворов веществ биологического происхождения уста новлено, что в некоторых пределах концентраций растворенного вещества при постоянной дозе излучения количество молекул, испытавших превращение, остается постоянным, т. е. при N0^ ^ const /Увы*= const. Следовательно, в этом случае не сохраня ется постоянным относительный выход NBblx/N0¥= const. Это яв ление объясняется тем, что в разбавленных водных растворах основной механизм радиационнохимического действия — косвен ное действие — вторичные реакции с продуктами радиолиза во
ды. Количество молекул растворенного |
вещества, прореагиро |
||
вавших с продуктами |
радиолиза, пропорционально |
количеству |
|
продуктов радиолиза. |
При постоянной |
дозе излучения (D = |
|
= const) количество химически активных продуктов |
радиолиза |
||
воды постоянно. Таким образом, в данном случае лимитирую щим фактором, определяющим абсолютный выход превращен ных молекул растворенного вещества, является количество про дуктов радиолиза воды. При D = const yVBbIX = const, поэтому при N0¥=const относительный выход NBblJN0 = cBbTJco изменяется по гиперболической, обратно пропорциональной зависимости: с увеличением концентрации растворенного в воде вещества от носительный выход радиационнохимического превращения уменьшается обратно пропорционально концентрации. Это явле ние получило название в радиационной химии и биохимии эф фекта разведения. Эффект разведения — признак косвенного действия радиации. Он был, например, обнаружен в опытах с водными растворами фермента карбоксипептидазы. Действи тельно, оказалось, что в широком диапазоне изменений кон центрации фермента число инактивированных молекул его оста ется постоянным, а относительная доля инактивированных мо лекул фермента снижается. Отклонение от этой закономерно сти наблюдается только при очень малых (менее 10~5 г фермен
112
та на 1 мл) и очень больших концентрациях фермента. Нижняя граница эффекта разведения обусловлена рекомбинацией и ис чезновением продуктов радиолиза воды прежде, чем они вступят в реакцию с растворенным веществом. Верхняя концентрацион ная граница эффекта обусловлена существенным относительным увеличением прямого действия радиации на растворенное веще ство.
Температурный эффект. Доказательством существенного зна чения косвенного действия радиации при облучении водных ра створов веществ является выяснение влияния температуры. Точ нее речь идет об агрегатном состоянии водного раствора. При облучении, например, раствора витаминов (С и РР) в одинако вой дозе, но в замороженном и незамороженном состояниях установлено, что относительная дезактивация витаминов больше в жидких водных растворах, чем в замороженных. Это объяс няется тем, что в замороженном водном растворе образующиеся продукты гидролиза имеют малую диффузионную подвижность и исчезают, не успев вступить в реакцию с растворенным веще ством. В этом случае, по-видимому, основную роль в превра щении молекул витамина будет играть прямое действие радиа ции, а в жидких водных растворах витаминов, наоборот, — кос венное действие.
Кислородный эффект. При облучении водных растворов раз личных веществ обнаружено существенное влияние на радиаци оннохимический выход присутствия кислорода — кислородный эффект. В присутствии кислорода окислительно-восстановитель ные реакции проходят с большим выходом.
Предполагается, что влияние кислорода в радиационнохими ческих реакциях обусловлено акцептированием кислородом сво бодных радикалов Н и образованием более долгоживущего, но химически активного продукта Н 0 2 (гидропероксида). Установ лено, например, что превращение двухвалентного железа в трех валентное происходит только в присутствии кислорода. Таким образом, кислород играет определенную роль в трансформации энергии радиационного действия при облучении водных раство ров. Кислородный эффект также является признаком косвенно го действия радиации.
Защитный эффект. Установлен еще один эффект, свидетель ствующий о возможности косвенного действия радиации. Он по лучил название защитного эффекта. Например, если облучать высокоочищенные ферменты в присутствии глюкозы, тиомочевины и цистина, то ферменты инактивируются в меньшей степени. Это объясняется тем, что примесные вещества могут быть актив ными акцепторами свободных радикалов и других продуктов радиолиза. Соответственно доля участия заданного вещества в радиационнохимических превращениях уменьшается.
Эффект последействия. При облучении ферментов пепсина и трипсина, ДНК и некоторых других биогенных веществ обнару-
113