Радіобіологія

Співвідношення між одно- та двонитковими розривами ДНК

Співвідношення між одно- та двонитковими розривами ДНК залежить від упакування ДНК у хроматині, від фізико-хімічного стану хроматину.

Для ізольованого хроматину співвідношення між одно- та двонитковими розривами ДНК рівне 50. У випадку опромінення живих клітин співвідношення між одно- та двонитковими розривами ДНК коливається в межах 25 - 46. В ізольованому стані хроматин більшою мірою взаємодіє з продуктами радіолізу води, ніж в інтактному клітинному ядрі.

Зшивки ДНК-протеїн

Зшивки ДНК-протеїн - це ковалентні зв'зки ДНК та білків, на які не діють ні органічні розчинники, ні денатуруючі агенти. Індуковані випромінюванням зшивки властиві переважно послідовностям, що зазнають активної транскрипції. Це ушкодження ДНК найчастіше формується в зоні ядерного матриксу. В утворенні зшивок ДНК-протеїн беруть участь основи ДНК, а не цукри і фосфатні залишки. Вихід ковалентних зшивок ДНК-протеїн в аеробних клітинах ссавців подібний до виходу двониткових розривів ДНК. Ці зшивки виникають під впливом гідроксильних радикалів і стосуються переважно доменів ДНК, які містять активні послідовності і білки ядерного матриксу. Гіпоксія збільшує вихід зшивок і впливає на спектр основ і амінокислот білків, які утворюють зшивку. Гістони, які захищають від розривів нитки ДНК, не зменшують частоту зшивок, бо самі можуть бути субстратом цієї реакції. Утворення зшивок ДНК-білок внаслідок опромінення неоднакове для клітин різного типу: вихід таких ушкоджень у лімфоїдних клітинах вищий, ніж у клітинах печінки. Ушкодження ДНК цього типу дуже небезпечне, бо унеможливлює реплікацію.

Основні типи ушкоджень ДНК іонізуючим випромінюванням

1) Однониткові розриви

2) Двониткові розриви

3) Ушкодження основ

4) Зшивки між опозитними молекулами

5) Зшивки між двома спіралями

6) Зшивки ДНК-білок

Деградація ДНК

Опромінена молекула ДНК біля ушкоджених піримідинів розщеплюється г-ендонуклеазою. Таке розщеплення здійснюється у два етапи. Ушкоджені піримідини, тиміновий гліколь розпізнаються ендонуклеазою і вилучаються з молекули ДНК внаслідок розриву N-глікозильного зв'язку. Проте за наявності відновлювальних агентів може відбуватися відновлення ДНК.

Внаслідок подвійного розриву ДНК можуть виникати величезні деградовані ділянки в розривах хроматид, коли часом втрати хроматиди досягають 30 %. В опромінених тварин деградація ДНК відбувається в ядрах клітин різних тканин, насамперед, у лімфоїдних клітинах. Після опромінення в ядрах цих клітин збільшується активність протеаз, які розщеплюють молекули гістонів; починається міжнуклеосомна деградація хроматину, утворення полінуклеосом та низькомолекулярних продуктів деградації ДНК. Деградація ДНК відбувається у клітинах, що опромінені у великих дозах. Якщо дози опромінення малі, то апоптозна загибель клітин відбувається без деградації ДНК. Процес деградації хроматину може бути дуже інтенсивним. Деградація ДНК спостерігається не тільки в клітинах, а й у розчині ДНК - це свідчить про те, що деградація ДНК може відбуватися без участі протеаз.

Вихід радіаційно-хімічних ушкоджень ДНК у живій клітині

Виходи молекулярних ушкоджень ДНК на одну клітину у ссавців за дози 1 Гр становлять:

Однониткових розривів - 1000

Ушкоджень тимідину - 250

Утворення 8-гідроксиаденіну - 700

Двониткових розривів - 40

Більшість ушкоджень становлять однониткові розриви. У інших клітинах співвідношення ушкоджень ДНК за малих і незначних доз - аналогічні. Проте зі збільшенням дози частка двониткових розривів зростає, а частка інших ушкоджень зменшується.

Молекулярні ушкодження ДНК, індуковані ультрафіолетовим випромінюванням

Інактивація клітин і мутагенез у випадку опромінення клітин ультрафіолетовими променями зумовлені кількома фотохімічними реакціями, які призводять до ушкоджень молекул нуклеїнових кислот. Найнебезпечнішими для клітини є реакції фотодимеризації і утворення ковалентних зшивок ДНК з білковими молекулами. Під час опромінення ДНК ультрафіолетовими променями з довжиною хвилі до 300 нм найголовнішу роль у інактивації клітин відіграють піримідинові димери. Ці димери мають циклобутанову структуру, яка зумовлена утворенням двох ковалентних зв'язків між 5 і 6-им атомами вуглецю двох піримідинових основ. Виникають С=С і С=Т димери, але найчастіше Т=Т димери, якщо ці основи розташовані поруч на одній нитці ДНК. Зшивки між опозитними нитками ДНК виникають лише у випадку локальної денатурації подвійної спіралі, коли два піримідини займають таке стеричне положення, яке робить можливим утворення димеру. Піримідинові димери характеризуються дуже високою стабільністю: вони не руйнуються навіть за умов кислотного гідролізу. Утворення піримідинових димерів зумовлене дією ультрафіолетових променів довжиною хвилі 290-320 нм (промені УФ-В). Проте біологічно активними є також промені УФ-А з довжиною хвилі 320-380 нм, які модифікують трансдукцію сигналу міжклітинної взаємодії і впливаючи на експресію певних генів, можуть індукувати канцерогенез. У клітині, де в ДНК виникли піримідинові димери, не може відбуватися реплікація ДНК, оскільки стає неможливим розгвинчування спіралі в місцях дії ДНК-полімеразного комплексу. Це і є основною причиною загибелі клітин, що опромінені ультрафіолетом. Позбутися піримідинових димерів клітина може завдяки явищу фотореактивації, в процесі якої для розривів ковалентних зв'язків між піримідинами використовується енергія світла.

Зміни структури хроматину під впливом іонізуючого випромінювання

Співвідношення між одно- і двонитковими розривами ДНК характеризується параметром h, який входить до виразу Тома:

dsb = (2h + 1) ssb²

де dsb - частота двониткових розривів на пару нуклеотидів

ssb - частота однониткових розривів на пару нуклеотидів.

Вихід таких ушкоджень ДНК як одно- та двониткових розривів, модифікація основ і зшивки ДНК-білок, зростає майже у 100 разів, якщо хроматин депротеінізують. В інтактних клітинах релаксована структура хроматину, яка виникає під час реплікації або транскрипції, сприяє збільшенню виходу ушкоджень у 3-6 разів. Репарація також залежить від структури і складу ядерного хроматину: ушкодження повніше вилучається з транскрипційно активного хроматину. Залежність між структурною організацією хроматину і вразливістю ДНК дуже велика. Це можна проілюструвати співставивши відносні виходи ушкоджень ДНК залежно від стану хроматину.

Від змін конформації хроматину залежить перетворення радіаційних ушкоджень ДНК на видимі розриви хроматину і вихід хромосомних аберацій. Білок MPF, який індукує зміни конформації хроматину, істотно впливає на перетворення молекулярних ушкоджень ДНК в хромосомні аберації. Варіювання радіочутливості клітини протягом клітинного циклу теж пов'язане зі змінами стану хроматину. Вздовж треку підвищується кислотність (pH) середовища і з цим пов'язана залежність ВБЕ від ЛПЕ.

Таблиця 7. Залежність співвідношення різних ушкоджень ДНК від стану хроматину.

Тип хроматину	Однониткові розриви ДНК	Двониткові розриви ДНК	Зшивки ДНК-білок
Цілісної клітини	1	1	1
Ізольованого ядра	2	2,7	3,1
Релаксований	7,5	9	10
Депротеінізована ДНК	100	60	-

Радіаційно-хімічні перетворення РНК

РНК властиві виключно одноланцюгові розриви. Досліджували вплив іонізуючого випромінювання на РНК на прикладі вірусів. РНК внаслідок випромінювання зазнає фрагментації, яка зумовлена одноланцюговими розривами. Одного однониткового розриву молекули РНК вистачає для повної втрати інфекційності вірусом. Значення D₀ для вірусу, опроміненого за умов кімнатної температури, становить 5000 Гр, що свідчить про високу радіостійкість вірусів і РНК.

Радіаційно-хімічні перетворення аміноислот і білків

Радіоліз амінокислот відбувається у кілька стадій і супроводжується появою різних радикалів, які виникають внаслідок відщеплення карбоксильної групи, аміногрупи або атома водню від б-вуглецевого атома або ж радикалів амінокислотного залишку. У водних розчинах такі радикали утворюються переважно за участі в реакції перетворень амінокислот ОН-радикалів. У багатьох амінокислот внаслідок відщеплення водню від б-вуглецевого атома амінокислотного залишку утворюються радикали:

H₃N⁺-CR_a*- COO^-

Цей радикал може взаємодіяти з акватованим електроном:

H₃N⁺-CR_a*- COO^- + e_aq > H-CR_a*- COO^- + NH₃

Крім того, в процесі радіолізу виникають радикали внаслідок відщеплення карбоксильної групи (декарбоксилювання), аміногрупи (деамінування) або відщеплення водню від б-вуглецевого атома.

Сірковмісні амінокислоти під час опромінення можуть вступати в такі реакції радіолізу, що можуть перетворюватись у ланцюгові реакції:

R-SH > R-S^-* + H⁺

R-SH + R-S^-* > R-S-S-R*

R-S-S-R* + O₂ > R-S-S-R + O₂*

O₂* + R-SH + H⁺ > R-S⁺ + H₂O₂

R-S⁺ + R-S^-* > R-S-S-R*

Радіаційно-хімічні перетворення білкових молекул визначаються насамперед дією реакції на амінокислоти. Внаслідок дії на білки ОН* і e_aq атакуються амінокислотні залишки, перш за все ароматичні кільця, сірковмісні групи, подвійні зв'язки, протоновані групи. Крім того, у полімерній молекулі може відбуватися перенесення неспареного електрона вздовж молекули, тому характер вільнорадикальних станів окремих амінокислотних залишків може набувати певної специфіки: найчастіше неспарений електрон локалізується на атомах сірки або на б-вуглецевому атомі амінокислот, сполучених пептидним зв'язком з аміногрупою. Це спричинює розриви поліпептидного ланцюга. Вихід розривів ланцюгів становить близько 1 на 100 еВ. Ушкодження окремих амінокислот впливає на третинну і четвертинну структури протеїнів. Саме з такими ушкодженнями пов'язана втрата фунціональних властивостей білкових молекул внаслідок їх опромінення. Більшість білкових молекул інактивується у випадку поглинання молекулою енергії від 50 до 200 еВ. Для того, щоб молекула протеїну була інактивована непрямою дією радіації, у безпосередній близькості коло неї з молекули води має утворитися від 10 до 200 ОН-радикалів.

Радіаційно-хімічні перетворення ліпідів

Зміни молекул ліпідів внаслідок їх опромінення зумовлені переважно радіаційно-хімічними перетвореннями жирних кислот. Останні належать до групи аліфатичних карбонових кислот - органічних сполук, до складу молекули яких входять кілька карбоксильних груп. Основні шляхи радіолізу карбонових кислот пов'язані з декарбоксилюванням і появою вуглеводневого радикала.

RCOOH* > R + CO₂ + H*

RCOOH⁺ + RCOOH > R + CO₂ + RCOOH₂

e^- + RCOOH > RCOOH^-

e^- + RCOOH > RCOO^- + H*

H* + RCOOH > RC(OH)₂

H* + RCOOH > R + H₂ + CO₂

H* + RCOOH > R₁-CH-R₂ + H₂O

OH* + RCOOH > R₁-CH-R₂ + H₂O

Ці продукти радіолізу нестабільні і зазанають подальших перетворень, найважливішими з яких є процеси окислення жирних кислот:

R-H + OH* > R* + H₂O

R* + O₂ > ROO*

ROO* + R-H > R* + ROOH

R* + O₂ > ROO*

Як бачимо, має місце ланцюгова реакція, яка може припинитися внаслідок рекомбінаційної взаємодії вільних радикалів:

R* + R* > R-R* > R-R + hн

ROO* + R* > R-OO-R

ROO* + ROO* > R-OO-R* + O₂ > R-OO-R + O₂ + hн

По ходу цих реакцій утворюються молекули стабільних продуктів, що перебувають у збудженому стані, і їх перехід у основний, незбуджений стан супроводжується висвітлюванням фотонів видимого діапазону.

Перокисне окислення ліпідів (ПОЛ) ініціюється появою у ліпідній фазі вільних радикалів, які здатні взаємодіяти з легкоокислювальними жирними кислотами фосфоліпідів. Агентами, які провокують цю реакцію, можуть бути продукти, що виникають під час радіолізу води: радикали ОН*, НО₂*, супероксидний радикал О₂^-*. Пероксидний радикал ліпідів вступає в реакцію з новими молекулами ненасичених жирних кислот, що супроводжується утворенням гідропероксиду і нового вільного радикала ліпідної молекули. Ця реакція характеризується низькою енергією активації і високою константою швидкості. Цим зумовлені дуже високі значення радіаційно-хімічних виходів реакції окислення ліпідів (до 700). Якщо в середовищі є метали зі змінною валентністю, наприклад Fe, то ланцюговий процес окислення ліпідів набуває розгалуженого характеру. Розгалужені ланцюгові процеси приводять до появи нових продуктів окислення ліпідів: пероксидів, епоксидів, дієнових кон'югатів, кислот, альдегідів, кетонів, ненасичених жирних кислот. Процеси перокисного окислення ліпідів досліджують за появою вторинних продуктів, зокрема, малонового діальдегіду, а також газоподібних речовин - етану і пентану. Крім того, деякі кінцеві продукти ПОЛ здатні до флуоресценції.

Радіаційне ушкодження біологічних мембран

Радіаційне ушкодження біологічних мембран зумовлене індукцією в них вільнорадикальних станів, які охоплюють переважно ліпіди мембран. До основних факторів індукції цих процесів належать О₂^-, ОН^-, Н*, О^-, НО₂*, ОН*, Н₂О₂. Ліпіди мембран характеризуються легкою доступністю зазначених активних форм радіолізу води, бо мають велику поверхню мононуклеарних шарів (які перебувають у досить потужному електричному полі) та складне біохімічне і йонне оточення. Пероксидне окислення ліпідів у клітині в нормі є фізіологічно необхідним процесом, бо певний рівень окислення ліпідів мембран забезпечує інфраструктуру мембран, за якої забезпечуються їхні регуляторні і транспортні функції. Оскільки функції клітинних мембран зазнають певних змін у процесі життєдіяльності, відповідно осцилює й інтенсивність перокисного окислення ліпідів, що дає підстави говорити про “планове” ПОЛ. У випадку відхилення рівня ПОЛ від фізіологічної норми формуються ушкодження мембран. Утримання ПОЛ у межах його планової активності забезпечується спеціальною системою антиокисної дії. До цієї системи входять такі ферменти як супероксиддисмутаза, глутаніонпероксидаза, каталаза, а токож речовини, що запобігають окисленню ліпідів - антиоксиданти. Антиоксидантна активність властива і самим ліпідам. Отже, в мембранах є система - ПОЛ - антиоксидантний захист. У випадку ушкодження ліпідів змінюються властивості мембран. Так, під впливом опромінення іонізуючою радіацією індукується надокислення ліпідів у мембранах. Цей процес супроводжується зростанням проникності мембран. Структура ліпідного подвійного шару елементарної мембрани змінюється через утворення продуктів перокисного окислення ліпідів - кон'югуючих дієнів і гіпероксидів, внаслідок чого під впливом іонізуючого випромінювання порушується регуляція клітинних функцій. Це зумовлене тим, що через ушкодження мембранних структур змінюється властивий нормі гомеостаз Ca²⁺, а отже і внутрішньоклітинний вміст циклічних АМФ і ГМФ, що в свою чергу, визначає функціонування універсальної системи регуляції клітинного метаболізму Ca²⁺ та нуклеотид-залежного фосфорилювання білкових молекул. Зміни цієї системи регуляції, пов'язані з активністю Ca²⁺ і цГМФ-залежних протеїназ, було виявлено у лімфоцитах при їх опроміненні.

Біохімічні процеси в опромінених клітинах

Зміни концентрацій тих чи інших метаболітів або будь-яких інших речовин в опромінених клітинах і тканинах мають різну природу. Такі зміни віддзеркалюють і прямі наслідки опромінення, і далекі опосередковані ефекти, пов'язані з розрегулюванням гомеостатичних станів організму, ушкодженням мембран, імунологічними процесами.

В результаті опромінення живого організму іонізуючою радіацією можуть виникнути такі наслідки: соматичні мутації, некроз, апоптоз, зміна гомеостазу морфогенезу, зміна метаболітичного гомеостазу, зміна темпів онтогенезу. Соматичні мутації можуть бути причиною появи в клітинах речовин з антигенними властивостями. Некроз і апоптоз викликають появу в організмі продуктів цитолізу. Продукти цитолізу і антигени призводять до імунологічних змін в організмі. Зміна гомеостазу морфогенезу призводить до зміни співвідношення тканин різних типів, що в свою чергу призводить до біоенергетичних і метаболічних змін. Зміна метаболітичного гомеостазу призводить до змін біохімічного складу організму. Зміна темпів онтогенезу призводить до вікових змін біохімізму.

НАСЛІДКИ РАДІАЦІЙНО-ХІМІЧНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ БІОЛОГІЧНО ВАЖЛИВИХ МОЛЕКУЛ ДЛЯ КЛІТИННИХ ПРОЦЕСІВ

Реалізація молекулярних ушкоджень ДНК

Виділяють три групи порушень молекул у клітині:

1) втрата здатності молекулярних структур виконувати властиві їм у нормі функції;

2) втрата здатності відповідних молекул забезпечувати структурні перебудови хромосом, що супроводжують поділ клітини;

3) зміна кодового, інформаційного та функціонального значення послідовності мономерів у біологічних макромолекулах.

Із зазначеними ушкодженнями макромолекул асоціюються такі прояви реакцій клітини на опромінення, як відхилення від норми метаболітичних процесів, генетичні порушення, що можуть проявлятися в наступних поколіннях, у нащадків опроміненого організму. Ушкодження молеук ДНК проявляються в різних молекулярно-біологічних і клітинних реакціях, які є мірою радіобіологічного ефекту. Модифікації основ, поява одно- і двониткових розривів, зшивки ДНК з білками спричинюють структурно-функціональні порушення ядерних структур та клітини в цілому: появу різного типу хромосомних ушкоджень - аберацій, проліферативну загибель клітини, порушення регуляторних механізмів. Ці порушення або призводять до загибелі клітини або виражаються в появі цитогенетичних змін, у формуванні мутацій.

Хромосомні аберації

Зміни структури хромосомного апарату називають хромосомними абераціями. Вони можуть виражатися у:

1) дефішенсах - втратах хромосомою кінцевих ділянок;

2) делеціях - втратах хромосомою некінцевих ділянок з послідуючим з'єднанням фрагментів;

3) дуплікаціях - повторенням певного фрагмента хромосоми;

4) інверсіях - випаданням фрагменту з хромосоми, розворотом його на 180⁰ і вставкою назад в хромосому; якщо в структурі, що зазнала інверсії розташована центромера, то таку інверсію називають парацентричною, якщо інвертована ділянка не містить центромери, то таку інверсію називають перицентричною;

5) транслокаціях - переміщення ділянки з одної хромосоми в іншу. При цьому розрізняють: реципрокні транслокації - обмін ділянками між негомологічними хромосомами; збалансовані транслокації - обмін однаковими ділянками хромосом. При цьому можуть утворюватись робертсонівські структури, серед яких трапляються дицентричні хромосоми (дицентрики). При збалансованих транслокаціях, як правило, не виникає патології.

6) Транспозиціях - переміщеннях фрагменту з однієї ділянки хромосоми в іншу.

Внаслідок опромінення можуть формуватися делеції, які охоплюють цілий структуриний ген, а також можуть відбуватися реанжування в його межах. Ізольовані подвійні розриви ДНК, внаслідок помилкового з'єднання спричинюють формування делецій або складніші зміни. Основою появи хромосомних аберацій є фрагментація хромосом. У нормі метафазна хромосома складається з двох функціональних одиниць - хроматид, кожна з яких поділяється на дві напівхроматиди - довге (q) і коротке (р) плече. Основною морфологічною основою хромосоми є хромонема - нитка подвійної спіралі молекули ДНК у впорядкованій конфігурації. У пересинтетичній фазі клітинного циклу хромосома має одну молекулу ДНК. Після реплікації, коли молекула ДНК подвоюється, кожна хроматида має по одній молекулі ДНК. У випадку опромінення клітин у пресинтетичній фазі фрагментації і обміни фрагментами як процеси, пов'язані з розривами ДНК, стосуються всієї хромосоми - носія однієї молекули ДНК. Аберації, які виникають при цьому, називаються хромосомними. Якщо ж фрагментації і обміни індукуються у реплікативній або постреплікативній фазі, то внаслідок індивідуальності молекул ДНК у хроматидах аберації хромосом спричинюються розривами молекули ДНК у хроматидах. Такі аберації називаються хроматидними. Однониткові розриви ДНК, що не підпали під репарацію у пресинтетичній фазі, перетворюються на двониткові під час реплікативної або постреплікативної фази і стають причиною формування хроматидних аберацій. Тому частково хроматидні аберації виникають у випадку опромінення клітини в пререплікативній фазі клітинного циклу.

Розрізняють такі основні хроматидні аберації:

1) хроматидна термінальна делеція - відщеплення кінцевого фрагмента від хроматиди. У анафазі виявляється вкорочена хромосома і з'являється фрагмент.

2) хроматидна інтерстиціальна делеція-вставка - відщеплення кінцевого фрагмента з хроматиди і ділянки з іншої хроматиди з наступним обміном цими ділянками.

3) Ізолокусні розриви - розриви в обох хроматидах у тотожних місцях. При цьому виникають два кінцевих фрагменти і вкорочена частина хроматиди з центромерою. Утворюються так звані липкі кінці хроматиди, що можуть об'єднатися. У випадку об'єднання утворюється так звана ізохроматидна петля, а в анафазі утворюється хроматидний міст.

4) Хроматидні транслокації - обмін фрагментами хроматид між різними хромосомами і у межах однієї хромосоми. Розрізняють симетричні і асиметричні транслокації. Асиметрична транслокація полягає в тому, що центричний фрагмент однієї хромосоми з'єднується з центричним фрагментом іншої хромосоми. Симетрична транслокація полягає у з'єднанні центричних фрагментів з ацентричними. За ацентричної транслокації в метафазі з'являється хроматидний дицентрик і фрагмент, а в анафазі - хроматидний міст-фрагмент.

5) Хроматидні кільця - можуть утворюватись при делеції з утворенням ацентричного фрагмента з двома “липкими” кінцями, які взаємодіючи, утворюють кільце.

Розрізняють такі основні види хромосомних аберацій:

1) Хромосомні дефішенси

2) асиметрична хромосомна транслокація

3) хромосомні ацентричні кільця

4) хромосомні центричні кільця

За дуже сильних ушкоджень хромосом проявляється їх масова фрагментація, яку називають пульверизація. Від хромосомних аберацій відрізняються ахроматичні пробіли або “щілини” хромосом - ділянки хромосом, що не забарвлюються. Дозові залежності виходу пробілів завжди лінійні. Локалізація пробілів збігається з місцями розривів або з'єднань фрагментів. Кількість пробілів іноді істотно перевищує число хроматидних розривів за однієї і тієї ж дози опромінення. Індукція пробілів внаслідок опромінення є дуже чутливою реакцією і тому її часто застосовують під час визначення біологічної дії малих доз.

Механізми виникнення хромосомних аберацій

Класична гіпотеза виникнення хромосомних аберацій - гіпотеза Стадлера стверджує, що після впливу іонізуючого випромінювання на хромосоми виникають фрагменти з “липкими” кінцями, які з'єднуються у різних комбінаціях, дають усе різноманіття хромосомних аберацій.

Пізніше було запропоновано поняття потенційних ушкоджень хромосом, що можуть з часом “заліковуватись” і не перетворюватись на розриви. Приводом для введення цього поняття послужили чисельні експериментальні факти, що свідчили про можливість впливу на вихід хромосомних аберацій різних за природою дії факторів. Це було покладено в основу гіпотези потенційних ушкоджень. Із потенційними ушкодженнями хромосом пов'язують передмутаційні зміни клітин. Згідно з гіпотезою потенційних ушкоджень, є три етапи формування хромосомних аберацій:

1) поява в клітині потенційних ушкоджень;

2) часткове відновлення клітини від потенційних ушкоджень;

3) перетворення потенційних ушкоджень на невідновлювальні.

Були спроби класифікації потенційних ушкоджень за тривалістю їх існування. Дослідження показали, що ушкодженнями, реалізація яких призводить до формування хромосомних аберацій, є подвійні розриви ДНК. Тому часто розриви хромосом ототожнюють з подвійними розривами молекули ДНК. Але слід враховувати, що розрив хромосоми, який пов'язаний з двонитковими розривами ДНК, охоплює перетворення четвертинних структур хроматину.

Гіпотеза помилкової репарації пов'язує формування хромосомних аберацій з наслідками хибних дій ферментів репарації, які у випадку появи однониткових розривів ДНК можуть помилково надрізати і другу нитку в опозитному положенні, що призводить до однониткового розриву. Появу потенційних ушкоджень автори цієї гіпотези вбачали у виникненні пробілів ДНК.

Дуже популярною стала обмінна гіпотеза Рівелла, згідно якої аберації хромосом виникають на основі механізму, подібного до кросинговеру. Ушкодження ДНК внаслідок опромінення спонукають хромосоми до неспецифічної асоціації, яка супроводжується обмінами фрагментами. Гіпотеза Рівелла неодноразово змінювалась і доповнювалась, бо експериментальні дані не завжди відповідали теоретичним передбаченням, що випливали з обмінної гіпотези.

Пояснення механізмів виникнення хромосомних аберацій поки що є гіпотетичними. Разом з тим виходи хромосомних аберацій різних типів дуже детально досліджено на різних видах рослин і тварин. Вихід хромосомних аберацій є параметром, який найчастіше застосовують для кількісної оцінки радіобіологічних ефектів.

Формування хромосомних аберацій робить неможливим подальший поділ клітини, яка внаслідок цього зазнає проліферативної загибелі і з часом після опромінення в клітинній популяції не лишається нащадків клітин з абераціями. Винятком є аберації з дицентричними хромосомами. Появу дицентриків, що тривалий час зберігаються в клітинних лініях від опромінених клітин, використовують як маркери радіаційного впливу. Ці хромосоми по ходу мітотичного поділу клітини досить часто утворюють мости, які можуть розриватися, внаслідок чого формуються ядра, що мають тонкий виріст в напрямку цитоплазми. Такі ядра отримали назву “хвостаті” ядра. Частота їх виникнення є чітко дозозалежною і корелює з частотою хромосомних аберацій у лімфоцитах опромінених тварин і людини.

Тривалість формування хромосомних аберацій залежить від фази, в якій перебуває клітина в момент опромінення, й типу аберації. Наприклад, у клітинах традесканції час формування аберацій варіює від 5 до 30 хв, у інших видів рослин - біля 1,5 год, в клітинах тварин - біля 1 години, але інколи процес триває до 4 год. Під впливом іонізуючого випромінювання зростає частота появи мультіаберативних клітин - клітин, в яких сформувалося кілька хромосомних аберацій. Збільшення числа аберацій в одній аберантній клітині є наслідком поступового нагромадження мутаційних змін, яке відбувається не тільки під час опромінення, а й триває після нього.

У нормі на фізичних кінцях хромосоми є теломери - структури, що складаються з коротких нуклеотидних послідовностей [типу (TTAAGGG)_n], що тандемно повторюються. Функція теломер - захист хромосом, запобігання злиттю або незаконній рекомбінації хромосом, реалізація програми фізіологічної смерті клітин. Під час розривів хромосом втрачаються теломери і хромосоми стають нестабільними. Відбувається рекомбінація і злиття хромосом. Хромосоми можуть відновлювати теломери, синтезувати їх по розривах.

Точкові мутації

Точкові або генні мутації - це порушення послідовності ДНК у межах гена. Розрізняють два основних класи точкових мутацій:

1) заміна пари основ;

2) мутації зі зсувом рамки зчитування.

Процес формування мутацій під впливом іонізуючого випромінювання отримав назву радіаційного мутагенезу. У 1927 році Меллер вперше продемонстрував, що мутації можуть індукуватися рентгенівською радіацією. Доказ мутагенності рентгенівських променів базувався на методиці ідентифікації мутацій у Х хромосомі дрозофіли. Для цього сконструювали спеціальну СІВ-хромосому - дві Х хромосоми, що з'єднані в ділянці центромери. Брали самок, що мали генотип ХХ(СІВ)Y, і нормальних самців. При такому спарюванні життєздатне потомство чоловічої статі отримує батьків-самців. Експерименти по доведенню існування радіаційного мутагенезу базувалися на використанні досить складних спеціально сконструйованих генетичних систем, оскільки не завжди можна розрізнити генотипічні і фенотипічні (мутації, морфози і фенокопії) прояви радіобіологічних ефектів.

Функціональні порушення внаслідок ушкодження білкових молекул

Опромінення білкових молекул істотно впливає на їх властивості. У випадку ферментів спостерігається інактивація ензиматичної активності. Дозова залежність інактивації ферментів має чіткий експотенціальний характер. Оскільки в цьому випадку мішень - активний центр ферменту - невелика, рівень доз, за яких інактивується фермент, досить значний. Для 37 % інактивації ферменту доза опромінення перевищує 500 Гр. Зміну ферментативної активності виявляють не тільки у випадку опромінення ізольованих білків, а і внаслідок дії іонізуючого випромінювання на складні структури клітини, наприклад, на органели. Під впливом опромінення ізольованих хлоропластів реєструється втрата органелами фосфорилювальної активності. Крива доза-ефект у випадку дії радіації на білки є двокомпонентною, що пов'язано з особливостями організації фосфосинтетичного фосфорилювання, у здійсненні якого беруть участь дві фосфосинтетичні системи. Рівень доз, за яких інактивується фосфорилювання - дуже високий. Це свідчить про те, що причиною інактивації систем фосфорилювання має бути ушкодження відповідних молекул ферментів.

Гальмування біосинтезу білка в клітинах описується простою експонентою і значення D₀ для цього процесу високе - 500 Гр. Біосинтез білка в системі in vitro, що відбувається з участю ізольованих рибосом теж характеризується експотенціальною залежністю з високим значенням D₀. У випадку опромінення живих клітин зміни активності окремих ферментів можуть відображатися як пряма дія іонізуючого випромінювання на молекулу ферменту, так і опосередковану, коли на активність тих чи інших ферментів впливають функціональні порушення окремих систем клітини або органа. У таких випадках спостерігається як інгібіювання, так і активація ензиматичної активності. Наприклад, у випадку хронічного опромінення щурів спостерігають збільшення активності D-глюкозо-6-фосфат: НАДФ-оксидоредуктази, 6-фосфо- D-глюконат: НАДФ- оксидоредуктази, L-малат: ліпоат-оксидоредуктази, цитрат-(ізоцитрат)-гідро-лігази. Інші ферменти, наприклад, піруват: ліпоат-оксидоредуктаза і ацетилКоА-СО₂-лігаза після опромінення спочатку активуються, а далі істотно пригнічуються. Активність малат-синтетази знижується. Зменшується колагенолітична активність. У змінах активностей ферментів відображається складна картина змін у білковому обміні, опосередкованих непрямою дією випромінювання. Опромінення супроводжується змінами в біосинтезі багатьох білків. Синтез деяких білків після опромінення клітин посилюється. Разом з тим в опромінених клітинах з'являються нові білки. З часом після опромінення спектр білків, синтезованих de novo, змінюється. Наприклад, у тимоцитах за годину після опромінення виявляються нові білкові молекули 22 kD, 39 kD, 48 kD. Через 2 години з'являються білки з відносними молекулярними масами 48 kD, 55 kD, 120 kD, через 3 год - ідентифікують 10 нових білків, серед яких є білки, що характерні для стресових станів клітини. Зокрема, деякі з цих білків за відносною молекулярною масою збігаються з білками теплового шоку. Вплив опромінення на біосинтез білків відображає не наслідки прямих ушкоджень або активації системи білкового синтезу, а зміни в регуляції цього процесу, вибіркової активації окремих генів. Крім цього, опромінення впливає на здатність білків утворювати надмолекулярні асоціати, які виконують складні біологічні функції. Вплив іонізуючого випромінювання на самоскладання надмолекулярних структур проявляється в тому, що білкові молекули, які внаслідок молекулярних ушкоджень не потрапляють у відповідні надмолекулярні асоціати, зазнають гідролітичного розкладу. Цим пояснюється зростання протеазної активності і збільшення концентрацій вільних амінокислот у клітинах внаслідок опромінення. Зі збільшенням дози здатність до самоорганізації ультраструктур послаблюється, що реєструється навіть за допомогою мікроскопії. Наприклад, після опромінення спостерігається деградація крист у мітохондрій та структур ламел і гран хлоропластів. Зміни структури білків внаслідок опромінення спричинюють зміни антигенних властивостей молекул, що виявляється у відповідних імунологічних реакціях.

Дія радіації на мембрани

Переважно радіочутливість клітин зумовлена вразливістю генетичних мішеней. Але для окремих типів клітин мішені негенетичних структур характеризуються настільки значними розмірами, що їх ушкодження може зумовити високу радіочутливість клітин. У незрілих ооцитів генетичні ефекти опромінення істотно маскуються наслідками опромінення мембран. Вплив опромінення досліджувався і на модельних мембранах - на мембранах ліпосом - штучних вакуолей, що оточені одно- або двошаровими ліпідними мембранами. Ліпосоми з фосфатидилхоліну, що мічений спіновою міткою ТЕМРО, використовують для вивчення дії випромінювання на мембрану. Зі збільшенням дози змінюється інтенсивність спінової мітки, що свідчить про дезорганізацію структури мембрани в її полярній зоні. Ушкодження мембран, зумовлене пероксидним окисленням ліпідів, супроводжується зміною функціонального стану мембрано-пов'язаних ферментів, про що свідчать дані дослідів з опроміненням субклітинної фракції, яку отримують диференційним центрифугуванням клітинного гомогенату - мікросом. Склад ліпідів у клітинних мембранах визначає радіочутливість клітин. Зокрема, сильно ушкоджуються внаслідок опромінення фосфоліпіди із залишками поліненасичених жирних кислот. Для опромінених клітин типовими є порушення йонного гомеостазу, що полягає в посиленні відтоку йонів калію з клітин і відповідні зміни мембранного потенціалу. Трансмембранний транспорт йонів визначається системою йонних каналів. Ці канали являють собою ліпопротеїдні комплекси. Під впливом опромінення проникність біліпідного шару елементарної мембрани для катіонів збільшується. Оскільки внаслідок опромінення змінюється фракційний склад ліпідів у клітинних мембранах і, зокрема, істотно зростає кількість лізофосфатидилхолінів, то в опромінених клітин порушується упаковка ліпідів у їх подвійному шарі в мембрані, і це супроводжується зростанням проникності мембрани, зумовленим як зміною ефективності фунціонування йонних каналів, так і зростанням неспецифічного потоку йонів крізь електрохімічний градієнт. Біофізичний стан мембран можна охарактеризувати значенням електричного трансмембранного потенціалу спокою, який формується внаслідок незбалансованого розподілу йонів у клітині й за межами її оболонки. У випадку дії рідкоіонізуючих випромінювань значення потенціалу спокою хвилеподібно коливається біля середнього значення, властивого неопроміненим клітинам. Такі осциляції потенціалу спокою тривають протягом доби, після чого встановлюється його сталий рівень. У випадку дії щільноіонізуючих випромінювань значення потенціалу спокою зменшується, але осциляцій не спостерігається.

КИСНЕВИЙ ЕФЕКТ

Поширення кисневого ефекту

Від наявності кисню в реакційному середовищі, де опроміненням індукована поява іонізованих і збуджених станів атомів та молекул, залежить подальший розвиток радіаційно-хімічних і радіаційно-біологічних реакцій і вихід радіаційних ушкоджень біологічно важливих молекул у клітинних ультраструктурах. Вплив кисню на перебіг радіаційно-хімічних перетворень речовин, який посилює прояв радіобіологічних реакцій, називається кисневим ефектом. Кисневий ефект зумовлений взаємодією кисню з вільними радикалами, які виникають внаслідок дії іонізуючого випромінювання на молекули різних речовин, насамперед води. У складних біологічних системах вплив кисню на вихід продуктів радіаційно-хімічних перетворень молекул визначає подальший розвиток радіобіологічного ефекту. Кисневий ефект проявляється на різних рівнях організації процесів у біологічних системах, починаючи з елементарних радіаційно-хімічних реакцій - радіолізу води, і закінчуючи складними інтегральними радіобіологічними реакціями клітин, тканин і багатоклітинних організмів. Видалення кисню з середовища могло б послабити радіаційне ураження організму, але для життєдіяльності аеробних клітин аноксичні або гіпоксивні умови є вкрай несприятливими, і це обмежує використання кисневого ефекту як засобу захисту організму від шкідливої дії іонізуючого випромінювання.

Прояв кисневого ефекту - посилення індукованої іонізуючим випромінюванням реакції - поширюється на різні системи - як просто хімічні, так і складні біологічні: за наявності кисню в середовищі спостерігається збільшення виходу радіаційно-хімічних реакцій внаслідок опромінення окремих речовин, а також клітин, органів і цілісного організму. Кисневий ефект, як дуже чітко відтворюване явище, виявляли стосовно дуже широкого кола об'єктів: різних речовин у сухому стані, і у розчинах, штучних і природніх мембран, ізольованих клітинних органел, клітин бактерій, культури клітин і тканин ссавців, людини і рослин, насіння рослин у стані спокою, меристемних тканин і паростків рослин, злоякісних пухлин, цілісних органів вищих тварин.

Кисневий ефект у радіаційно-хімічних реакціях

У випадку опромінення хімічних систем (а будь-яка жива істота, в тому числі і ми з вами, панове, теж хімічна система) наявність кисню підвищує виходи кінцевих продуктів радіаційно-хімічних реакцій. Внаслідок опромінення води у анаеробних умовах серед безпосередніх продуктів радіолізу кисень не виникає. Якщо у воді є кисень, то з ним активно реагують продукти радіолізу води: Н*, ОН* і при цьому утворюється супероксидний аніон-радикал О₂^-* і гідропероксидний радикал НО₂*. Ці радикали є окислювачами. Поява їх обумовлена реакціями:

Н* + О₂ > НО₂*

е_aq + Н⁺ + О₂ > НО₂*

Н₂О₂ + ОН* > Н₂О + НО₂*

е_aq + О₂ > О₂^-*

За дози 10 Гр у аерованій воді по ходу цих реакцій поглинається 6,7 мкмоль кисню на 1 л. Радикали О₂^-* і НО₂* здатні окислювати молекули органічних речовин за такими зв'язками, які у випадку відсутності цих окислювачів не перетворюються. За участю радикала НО₂* здійснюється реакція утворення гідропероксидів:

R + НО₂* > R-O-O-H

Кисень істотно збільшує вихід молекулярних ушкоджень різних органічних сполук. Наприклад, у випадку опромінення сольового розчину ДНК вплив кисню характеризується такими значеннями співвідношення виходів реакцій G(O₂)/G(N₂):

Однониткові розриви - 2,4

Двониткові розриви - 1,9

Ушкодження основ - 3,5

Зміни вторинної структури - 2,0

У випадку опромінення безводних сполук кисневий ефект також проявляється. Було зроблено припущення, що внаслідок поглинання іонізуючого випромінювання в молекулах виникають активовані стани, в яких кисень реагує з молекулою, а це і призводить до її хімічних перетворень. У ферментів це проявляється у втраті їх активності. Такі стани називають метіонічними. Метіонічний стан існує протягом досить короткого часу, порядку мілісекунд, після чого білкова молекула втрачає здатність до взаємодії з киснем. Тому кисневий ефект проявляється лише за умови присутності кисню в середовищі в момент опромінення. У випадку дії іонізуючого випромінювання на речовини неполярної природи, зокрема на ліпіди, кисневий ефект проявляється дуже сильно через участь кисню в ланцюгових реакціях пероксидного окислення ліпідів. Кисень може посилювати радіаційне ураження молекул різних речовин внаслідок парамагнетизму його молекули. Ця особливість молекул кисню проявляється в тому, що він здатен гасити флуоресценцію ароматичних сполук, тобто впливати на триплетні рівні збудження молекул. Таку саму здатність гасити флуоресценцію мають молекули оксиду азоту, який на чисельних об'єктах радіобіологічних досліджень виявив ефект, подібний до кисневого. Можливі механізми кисневого ефекту в загальному можна охарактеризувати так: кисень може впливати на виходи радіаційно-хімічних реакцій опосередковано, беручи участь у дихальних і ензиматичних процесах; крім того, кисень бере участь в утворенні біологічно-активних вільних радикалів, а також неорганічних або органічних пероксидів. Важливу роль відіграють парамагнітні властивості молекули кисню, через які зазнає модифікації електронне оточення в біомакромолекулах, і це істотно впливає на долю вільнорадикальних станів, що первинно виникають у цих молекулах. Комбінування кисню з іонізованими молекулами можуть запобігати метіонічній реакції.

Коефіцієнт кисневого посилення

Кількісною оцінкою кисневого ефекту є коефіцієнт кисневого посилення (ККП). Його можна визначити або через значення доз, які спричинюють однаковий ефект за умов наявності або відсутності кисню в середовищі, або через радіаційно-хімічні виходи окремих продуктів реакцій. Позначивши вихід радіаційно-хімічної реакції для продукту М як G_M з верхніми індексами +О₂, та - О₂, що вказують на відсутність чи наявність кисню, дістаємо такий вираз:

ККП = G_M^+О2/ G_M^-О2

ККП стосовно радіобіологічного ефекту, наприклад виживання, обчислюють за формулою:

ККП = D₀^-О2/ D₀^+О2

Для радіаційно-хімічних реакцій у модельних системах використовують першу з наведених формул, а для радіобіологічних - другу. Стосовно виживання багатоклітинних організмів ККП часто обчислюють за значенням дози D_50/30:

ККП = D_50/30^-О2/ D_50/30^+О2

Значення ККП обчислені за наведеними трьома формулами не збігаються, бо між радіаційно-хімічними виходами реакцій окремих продуктів, виживання клітин і радіобіологічними реакціями багатоклітинного організму є істотні відмінності щодо залежності від кисню. Значення ККП обчислені за допомогою D₀ і D_50/30, також можуть не збігатися, бо процес репарації ДНК від ушкоджень є киснезалежним і тому значення екстраполяційного числа D_q може залежати від наявності в середовищі кисню. Від цього залежать і відновні процеси у баготоклітинному організмі, і тому не завжди є прямий зв'язок між виживанням клітин в окремих тканинах багатоклітинного організму і виживання організму в цілому. У зв'язку з цим сам факт розбіжності значень ККП, обчислених за D₀ і D_50/30 містить важливу інформацію про внесок різних процесів у формування кисневого ефекту. У дії кисню на формування радіобіологічних ефектів слід розрізняти власне кисневий ефект і вплив кисню на ті процеси, по ходу яких формується відповідь організму на опромінення. У значеннях D_50/30^-О2 і D_50/30^+О2 відображаються обидві компоненти загального кисневого ефекту. Як правило, максимальне значення ККП рівне 3. Експериментально встановлено залежність радіочутливості клітин від концентрації кисню в середовищі:

S(O₂)/S(N₂) = (m[O₂] + K)/ ([O₂] + K)

S(O₂), S(N₂) - радіочутливість клітин при опроміненні в певному середовищі; m - ККП; [O₂] - концентрація кисню в середовищі; К - константа.

За характером механізму участі кисню у радіаційно-хімічних реакціях він має міститися в опромінюваній системі в момент дії радіації, бо перетворення продуктів радіолізу молекул з участю кисню, як правило, здійснюється за дуже короткий час. Тому в момент опромінення кисень має бути в тих ділянках клітини, де відбуваються визначальні радіаційно-хімічні реакції, насамперед у клітинному ядрі. Отож, створюючи умови аноксії або оксигенації, слід враховувати швидкість дифузії кисню крізь клітинні структури. Якщо кисень вводити в бактеріальні клітини за 20 мс до опромінення, то реакція буде такою самою, як за умов тривалої оксигенації. Якщо ж кисень вводити лише через 5-10 мс після опромінення (тривалість опромінення - 7 мс) бактерій в аноксичних умовах, то буде вже запізно потенціонувати аноксичну експозицію.

Було показано на рослинах, у клітинах яких кисень виникає внаслідок фотосинтетичного розкладу води, що зростання радіочутливості клітин не відбувається, якщо протягом 5 мкс світловий імпульс збігається з імпульсом електронного потоку або йде відразу після нього. Коли ж світловий імпульс передує імпульсу електронного потоку на 5-10 мкс, спостерігається істотна стимуляція радіочутливості клітин. Вважають, що час дифузії кисню від хлоропластів до ядра клітини становить 5-10 мкс.

Оскільки створення умов тривалої аноксії або гострої гіпоксії в клітинах, яким притаманний аеробний метаболізм (а це властиве переважній більшості живих істот), може мати вкрай негативні наслідки, то власне кисневий ефект виявляється лише за умов гострого опромінення або фракціонованого, коли кожна порція дози передається в режимі гострого опромінення. Отже, щоб виявити кисневий ефект, зміна концентрації кисню в середовищі має бути дуже короткотривалою.

Для вивчення дії кисню на формування віддалених наслідків опромінення тривалість гіпоксії або оксигенації має бути більшою. При цьому перебіг процесів, що спричинюють формування радіобіологічних ефектів, має іншу концентраційну залежність, ніж у випадку короткотривалої зміни концентрації кисню в середовищі. Якщо кисень видалити із середовища за кілька хвилин до опромінення, то це може настільки сильно змінити стан клітини, наприклад. їх проліферативну активність, що їхня радіостійкість істотно зміниться. Досліди на тваринних і рослинних клітинах свідчать про те, що протягом клітинного циклу ККП залишається постійним.

Залежність кисневого ефекту від концентрації кисню

Зі зростанням концентрації кисню ККП збільшується, досягаючи сталого значення. Крива залежності ККП від парціального тиску кисню в середовищі має область насиченого кисневого ефекту. Це насичення спостерігається за порівняно низького парціального тиску кисню - близько 4 кПа. Найбільші зміни радіочутливості відбуваються саме за зміни тиску від 0 до 4 кПа. Порівняно з нормальним складом за масової частки кисню 100 % спостерігається дуже незначний ефект. Половина зміни чутливості між чистим киснем і аноксією становить близько 0,4 кПа, що відповідає масовій частці кисню близько 0,5 %. Криві залежності виживання клітин від дози опромінення при різних масових частках кисню в середовищі мають аномальний вигляд. Це пояснюється тим, що відкладення енергії було швидшим, ніж дифузія кисню до мішеней.

ЛПЕ і кисневий ефект

Зі збільшенням ЛПЕ кисневий ефект зменшується і у випадку опромінення клітин щільноіонізуючим випромінюванням зовсім не проявляється. Значення ККП у випадку опромінення нейтронами істотно нижчі, ніж для рідкоіонізуючого випромінювання. Кисневий ефект оцінюють не тільки за кінцевою реакцією опроміненого організму, а й за впливом кисню на окремі радіаційно-біохімічні прояви радіаційного ураження. Кисневий ефект проявляється в радіаційно-індукованих змінах транскрипційної активності ДНК: одразу після гострого опромінення кисневий ефект не виявляється, але з часом при утриманні клітин в умовах, щ сприяють репарації від потенційно летальних ушкоджень, він набуває суттєвого значення. Відсутність кисневого ефекту у випадку опромінення біологічних об'єктів щільноіонізуючим випроміненням пояснюється тим, що швидкість використання кисню продуктами радіолізу тих або інших речовин за умови великої щільності їх просторового розподілу не компенсується швидкістю дифузії і відповідними значеннями дифузійних пробігів молекул кисню. Таке пояснення відображено в гіпотезі “кисень у треці”.

Зворотний кисневий ефект

Чисельні приклади свідчать про відсутність кисневого ефекту у випадку опромінення водних розчинів деяких ферментів (карбоксипептидази, рибонуклеази, пепсину, лізоциму, каталази). Не виявляють кисневого ефекту внаслідок опромінення бактеріофагу Т2. Проте кисневий ефект спостерігається, коли в розчин додають тіоли - цистеїн або цистеамін. Залежність прояву кисневого ефекту від наявності зазначених речовин пояснюють тим, що в разі опромінення кисень і тіоли конкурують за первинні ушкодження, які виникають у біомакромолекулах. Схема цього процесу описується реакціями:

1) Первинне ушкодження макромолекули:

RH + OH* > R* + H₂O

2) За наявності кисню реалізується ушкодження радикалів макромолекул шляхом утворення пероксидів:

R* + О₂ > RОО*

3) Під впливом тіолу може відбуватися повне відновлення від потенційного ушкодження:

R* + SH > RH + S*

Первинне ушкодження макромолекули у формі її вільнорадикального стану R* є потенційним, бо його поява може і не супроводжуватись подальшим розвитком радіаційного ушкодження молекули внаслідок інактивації радикала під впливом тіолів або інших речовин, які здатні виконувати роль перехоплювачів вільнорадикальних станів. Участь додаткових хімічних факторів, які називаються домішковими в реалізації первинних ушкоджень біомакромолекул може спричинити прояв так званого зворотного кисневого ефекту, коли наявність кисню зумовлює захисну дію на опромінені макромолекули. Механізм зворотного кисневого ефекту пояснюється тим, що кисень, взаємодіючи з домішковими вільними радикалами, може дезактивувати їх, що зменшує шкідливий вплив останніх на макромолекули. Зворотний кисневий ефект має місце, якщо домішкові радикали небезпечніші щодо їхньої дії на макромолекули, ніж продукти взаємодії кисню з радикалами, які виникають під час радіолізу води.

Киснева післядія

Для пояснення механізму кисневого ефекту залучаються уявлення про появу первинних потенційних ушкоджень типу R*. Якщо тривалість існування цього стану біомакромолекули значна, то є підстави говорити про довгоіснуючі потенційні киснезалежні ушкодження. На прикладі водних розчинів міозину, який характеризується аденозинтрифосфатною активністю, було показано, що опромінення супроводжується інактивацією ферментативної активності, і у цій інактивації чітко проявляється кисневий ефект: інактивація міозину за опромінення в аноксидних умовах набагато менша, ніж у присутності кисню. Проте, якщо до міозину, опроміненого у аноксичних умовах, через деякий час після дії випромінювання додавати кисень, то реєструватиметься така сама інактивація ферментативної активності, як і у випадку опромінення в середовищі, що містить кисень. Отже, первинні киснезалежні ушкодження зберігаються як потенційні, тому й проявляється киснева післядія.