Начало всех начал

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 молекул, 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 дезоксирибонуклеиновой 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.

Под микроскопом видно тонкое строение клетки

Самые маленькие образования в клетках-рибосомы - "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, "структуированы". 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 не 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 - дезоксирибонуклеиновой 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 родственными отношениями.

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 100 000 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 килоэлектронвольт. 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 радиотоксинов - ядовитых для организма соединений, различной химической природы.

Радиационная тревога! Пострадавшая клетка мобилизует все силы для защиты, для восстановления. 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. Развернувшаяся 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 достигли клеточной мембраны. Она - как первая оборонительная линия. Ее тонкое строение нам известно. Мы видели его в электронный микроскоп. Трехслойная липидно-белковая 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 ферментных ансамблей.

Железная диалектика связи "причины" и "следствия" немедленно вступают в силу.

Например, изменилась структурированность ферментов. Это "причина". И "следствие": ненормально активизировались 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 энергия 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 клетки. 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 начинают 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, но 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" портится.

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 восстановительных 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 Всесоюзного общества биохимиков.

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

- На горизонтальной оси,- говорит он,- будет изображаться какой-то "результат" действия ионизирующей радиации, а на вертикальной - доза облучения биологического объекта в рентгенах. Облучим какие-нибудь простейшие организмы, например дрожжи, и построим соответствующий график. Получим соответствующую кривую, которую радиобиологи называют кривой "доза-эффект". Она чем-то напоминает английскую букву "S" ("эс").

Это графическое изображение теории "мишени". Она развивалась в блестящих работах К. Циммера, Д. Ли, Н. В. Тимофеева-Ресовского. В 1969 году К. Циммер выступил с лекцией, которую озаглавил "От теории мишени к молекулярной биологии". Обратите внимание: "от теории мишени"... Он говорил, что, по его мнению, нарушения в структуре дезоксирибонуклеиновой 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. Хугом 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 S-образную кривую Хуг и Келлер объяснили по-своему и с других позиций. С помощью математической обработки авторы доказали, что объяснение характерной S-образной формы может быть найдено, если учитывать существование в клетке мощной системы восстановления, наличие "почи-ночных" 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, и в том числе для радиационной биохимии.