Лекция 3. Радиобиологические процессы.

1. Понятие, стадии и особенности радиобиологических процессов.

2. Биофизические основы действия ионизирующего излучения.

Понятие, стадии и особенности радиобиологических процессов.

Радиобиологические процессы – процессы взаимодействия с живой системой ионизирующих излучений, приводящие к изменению их структуры и функций.

Первичные стадии:

1. радиофизические

2. радиохимические

Различие фото- и радиобиологических процессов связано с много большей энергией ионизирующих излучений:

1. При взаимодействии ионизированных молекул с молекулами вещества, оно сразу ионизируется (без возбуждения).

2. Свет селективен, а ионизированными называют все типы молекул, т.е. селективность отсутствует.

3. Свободно-радикальные процессы развиваются по цепному механизму, т.е. происходит самоусиление.

Биофизические основы действия ионизирующего излучения.

Все жизненно-важные биологические соединения функционируют в водном окружении, следовательно, ионизации подвергаются и органические молекулы, и молекулы воды.

H₂O + hv → H₂O⁺ + e^-

Различают прямое и косвенное действие ионизирующего излучения.

Прямое действие – на радиохимической стадии непосредственно преобразуются сразу органические молекулы.

Непрямое действие (через воду) – на радиохимической стадии сначала преобразуются ионизированные молекулы воды, а продукт преобразования вступает в реакции с органическими молекулами.

Разложение ионизированных молекул воды под действием ионизирующего излучения – радиолиз воды:

H₂O⁺ → H⁺ + OH^* (свободный радикал)

H₂O + e^- → H₂O^-

H₂O^- → OH^- + H^* (свободный радикал)

H₂O⁺ + e^- → H₂O^* → H^* + OH^*

В присутствии кислорода:

H^* + O₂ → ^*HO₂ (гидроперекисный радикал)

^*HO₂ + ^*HO₂ → H₂O₂ + 2O (продукты – очень сильные окислители)

Все эти ионы и свободные радикалы вызовут повреждение мембраны и отделение биологически важных молекул. Если механизмы репарации не успевают всё исправить, то развивается лучевая болезнь.

Лекция 4. Свободные радикалы в биологических процессах.

1. Понятие и виды свободных радикалов.

2. Свойства свободных радикалов. Свободные радикалы в организме человека.

3. Методы обнаружения свободных радикалов в тканях организма.

Понятие и виды свободных радикалов.

Свободные радикалы – молекула или её часть (атом, ион), обладающие неспаренными электронами. Если частица имеет 1 электрон - монорадикал (Н^*, ОН^*). Если частица имеет 2 электрона – бирадикал (О^** + все триплетно возбуждённые молекулы).

Свободный радикал может быть нейтральным и заряженным (ион-радикал), например (^*RH)⁺.

Свойства свободных радикалов. Свободные радикалы в организме человека.

Свойства свободных радикалов:

1. Высокая реакционная способность (наличие неспаренного электрона – наличие свободной валентности).

2. Парамагнетизм (относительная магнитная проницаемость , магнитный момент не равен нулю).

В норме у человека постоянно образуется небольшое количество свободных радикалов в окислительных реакциях (это промежуточные продукты фотобиологических процессов):

1. Гидроксильный ^*ОН

2. Гидроперекисный ^*НО₂

3. Р адикалы некоторых переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий

4. Нейтральный радикал радикалы

5. Перекисный радикал липидов

В ряде патологий и при воздействии некоторых физических и химических факторов процессы свободно-радикального окисления резко усиливаются. Это особенно характерно для липидов, следовательно, уровень сободнорадикально окисляемых липидов может играть роль диагностического теста.

При воздействии коротковолнового ультрафиолета и ионизирующей радиации свободно-радикальные процессы начинают развиваться в таких субстратах, которым в норме они не были свойственны, например, в белках и нуклеиновых кислотах.

Методы обнаружения свободных радикалов в тканях организма.

Хемилюминесценция сопровождает некоторые экзергонические химические реакции. В организме – реакция рекомбинации перекисных липидных радикалов:

^*RO₂ + ^*RO₂ → продукты^* → продукты + hv.

Плюсы: метод очень чувствителен (до 10^-14 моль свободных радикалов).

Минусы: определяются радикалы только одного типа.

Спектроскопия магнитного резонанса:

1. ЭПР – электронный парамагнитный резонанс

2. ЯМР – ядерный магнитный резонанс

В основе методов лежит расщепление энергетических уровней частиц в постоянном магнитном поле. Причина во взаимодействии с полем магнитных моментов неспаренных электронов (ЭПР) и ядер (ЯМР). Спектры ЯМР можно получить в разных классах магнетиков. А необходимым условием ЭПР является парамагнетизм, что характерно для свободных радикалов.

В отсутствии поля магнитные моменты отдельных частиц ориентированы хаотически. В магнитном поле они могут быть сориентированы двумя способами. Их магнитные моменты могут быть направлены по полю и против поля. В первом случае энергия частицы меньше по сравнению с хаотическим расположением векторов; а во втором случае – больше. Большинство частиц окажется расположенными по полю.

В результате образуется дополнительная система подуровней. Разность энергий подуровней соответствует величине квантов СВЧ-диапазона.

Е₂

hv

единый

энергетический Е₁

уровень

Р_m – магнитный момент частицы

Н – вектор напряжённости магнитного поля

Большая часть частиц сориентированы по полю, т.е. находятся на нижнем уровне. При дополнительном воздействии электромагнитным излучением СВЧ-диапазона произойдёт поглощение квантов излучения с энергией hv = E₂ – E₁. В системе произойдёт переход с нижнего уровня на верхний. Этот переход регистрируется как сигнал магнитного резонанса.

Зарегистрирован будет спектр магнитного резонанса – графическая зависимость от длины волны: