Физико-химическая стадия

Действие ионизирующих излучений на вещество может быть прямым и косвенным. При прямом действии молекула получает энергию непосредственно от ионизирующего излучения. При косвенном — молекула получает энергию при взаимодействии с молекулами, подвергшимися прямому воздействию излучения.

Косвенное действие на живые организмы можно рассматривать через взаимодействие ионизирующих излучений с молекулами воды, а образующиеся при этом активные продукты радиолиза атакуют молекулы растворенного вещества и вызывают их изменения.

Рис. 1.2. Продукты радиолиза воды

При воздействии ионизирующего излучения в воде идут процессы ионизации и возбуждения (рис. 1.2.), что приводит к образованию положительно и отрицательно заряженных молекул воды (H₂O⁺, H₂O^-), возбужденной молекулы воды (H₂O^*) и гидратированного электрона (e^-_aq). Возбужденная молекула воды распадается на атомарный водород H^ и гидроксильный радикал OH^. Далее радикалы могут реагировать друг с другом (это, в первую очередь, касается радикалов H^ и OH^) или с другими молекулами воды. Продукты радиолиза воды способны вырывать атом водорода из органических молекул, превращая их в радикалы и могут также реагировать с молекулами растворенного кислорода, в результате чего образуются перекисные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью — гидроперекисный (НО₂^) и супероксидный (О₂^).

В целом, для продуктов радиолиза воды наиболее характерны реакции окисления или восстановления субстрата, ведущие к образованию радиотоксинов. К окислителям относят перекись водорода, гидроксильный, гидроперекисный и супероксидный радикалы. К восстановителям — атомарный водород и гидратированный электрон.

Необходимо отметить, что в присутствии кислорода образуются дополнительные реакционноспособные радикалы. Кроме того, молекула кислорода обладает электронакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при действии излучения радикалами биологических молекул — как бы фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения. Все это приводит к явлению известному в радиобиологии как кислородный эффект.

Кислородный эффект — это усиление лучевого поражения при повышении концентрации кислорода по сравнению с поражением, наблюдаемым в результате облучения в анаэробных условиях.

Однако в дальнейшем кислород необходим для пострадиационного восстановления.

Воздействие ионизирующих излучений на биомолекулы (химическая стадия)

Действие ионизирующих излучений на белки

До 20% поглощенной энергии ионизирующих излучений расходуется на повреждение белков. Под действием ионизирующего излучения из молекулы белка выбивается электрон. Образуется дефектный участок, лишенный электрона, который мигрирует по полипептидной цепи за счет переброски соседних электронов до тех пор, пока не достигнет участка с повышенными электрон-донорными свойствами. В этом месте в боковых цепях аминокислот возникают свободные радикалы. Такие события происходят в результате прямого действия ионизирующих излучений. При косвенном действии образование свободных радикалов происходит при взаимодействии белковых молекул с продуктами радиолиза воды. Образование свободных радикалов влечет за собой изменения структуры белка: разрыв водородных, гидрофобных, дисульфидных связей; модификация аминокислот в цепи; образование сшивок и агрегатов; нарушение вторичной и третичной структуры белка. Такие нарушения в структуре белка приводят к нарушению его функций (ферментативной, гормональной, рецепторной и др.).

Действие ионизирующих излучений на липиды

Под влиянием облучения происходит образование свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодействии с кислородом образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами. Это процесс перекисного окисления липидов. Так как липиды — основа биомембран, то перекисное окисление повлечет за собой изменение их свойств, в том числе и проницаемости. А поскольку клетка представляет собой систему взаимосвязанных мембран и многие процессы клеточного метаболизма проходят именно на мембранах, то в клетке нарушаются биохимические процессы. Выражено нарушение энергетического обмена, что связано с повреждением митохондрий.

Действие ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты

Около 7% поглощенной дозы приходится на ядерную ДНК. Механизм повреждения сходен с повреждением белка: выбивание электрона, миграция дефектного участка по полинуклеотидной цепи (несколько сотен азотистых оснований) до участка с повышенными электрон-донорными свойствами. Такое место — чаще всего участок локализации тимина или цитозина, где и образуются свободные радикалы этих оснований. Образование свободных радикалов приводит к нарушению структуры ДНК, в основе которого лежат одно- и двунитевые разрывы, модификация азотистых оснований, образование тиминовых димеров, сшивки ДНК–ДНК, ДНКбелок.

Определенное число одиночных разрывов образуется даже при малых дозах излучения, но они не приводят к поломкам молекулы ДНК, т. к. куски поврежденной молекулы прочно удерживаются на месте водородными связями с комплементарной нитью ДНК и хорошо поддаются восстановлению. Механизмы репарации повреждений ДНК представляют собой сложную продублированную систему защиты генетической информации клетки и являются основой обеспечения надежности биологических систем. Именно поэтому большинство одиночных разрывов репарируется даже в летально облученных клетках. Однако нерепарированные одиночные разрывы могут в последующем привести к образованию двойных разрывов. Двойные разрывы опасны для клетки, т. к. они не всегда поддаются репарации и служат непосредственной причиной возникновения хромосомных аберраций. Часть аберраций (например, мосты) механически препятствуют делению клетки. Появление обменов, ацентрических фрагментов приводит к неравномерному разделению хромосом и утрате генетического материала, а это вызывает гибель клеток из-за недостатка метаболитов, синтез которых кодировался утраченной частью ДНК.

Действие ионизирующего излучения на углеводы

Углеводы в целом достаточно устойчивы к действию ионизирующего излучения. Так, окислительный распад, укорочение цепи и отщепление альдегидов от простых сахаров наблюдаются при очень больших дозах ионизирующих излучений.