3.3.2. Свободнорадикальные процессы

Свободные радикалы – это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбите. Свободные радикалы обычно весьма реакционноспособны, так как обладают возможностью связывать неспаренный электрон с аналогичным электроном в другом радикале или вообще удалять электрон из атома. Другими словами, свободные радикалы могут быть акцепторами (окислителями) или донорами (восстановителями) электронов. Живая материя состоит на 70–90% из воды, поэтому важно рассмотреть, что происходит с водой и некоторыми водными растворами при облучении.

Под воздействием ионизирующих излучений в воде без примесей идут процессы ионизации с образованием быстрых свободных электронов, обладающих избытком энергии, и положительно заряженных молекул воды:

Н₂О  Н₂О⁺ + е^– (3.8.)

Образовавшийся электрон (е) постепенно теряет в воде энергию в результате разных процессов до тех пор, пока его не захватит другая молекула, которая превратится в отрицательно заряженную молекулу воды:

е^– + Н₂О  Н₂О^– (3.9.)

Этот процесс – относительно медленный. Кроме того, электрон может стать гидратированным, т.е. окруженным молекулами воды (как, например, магнитик в железных опилках), так что несколько молекул воды превратятся в диполи и будут ориентированы по направлению к электрону, имеющему отрицательный заряд. Гидратированный электрон ē · aq при комнатной температуре достаточно стабилен, но способен к реакции с различными молекулами в растворах. Такие реакции более вероятны при более высоких концентрациях раствора. Поскольку концентрация веществ внутри клетки бывает достаточно высокой, появление в них таких гидратированных электронов имеет для клеток большое значение. Ни Н₂О^–, ни Н₂О⁺ не являются стабильными молекулами, и каждая из них распадается, образуя ион и свободный радикал:

Н₂О⁺  Н⁺ + ОН (3.10)

Н₂О^–  Н + ОН^– (3.11.)

(точкой обозначен неспаренный электрон свободного радикала).

При каждых 1000 эВ энергии, поглощаемых чистой водой, образуются следующие продукты: 26 гидратированных электронов (ē · aq), 26 гидроксильных радикалов (OH^.), 4 атома водорода (H^∙) и небольшое количество Н₂ и Н₂О. Наиболее реакционноспособны ē · aq, ОН^∙, H^∙, имеющие продолжительность жизни около нескольких миллисекунд, при условии отсутствия других реагентов или ловушек, связанных со структурой самой воды, к исследованию которой сейчас приковано пристальное внимание. Они могут также вступать в реакцию друг с другом или димеризоваться (образовывать пары):

Н + Н  Н₂ (3.12)

ОН + ОН  Н₂О₂ (3.13)

ОН + Н  Н₂О(3.14)

или вступать в реакцию с другими молекулами воды, а также реагировать с продуктами предыдущих реакций, в которых участвовали радикалы. Свободные радикалы могут также взаимодействовать с молекулами растворенного кислорода, приводя к появлению перекисных радикалов водорода. Взаимодействие кислорода с гидратированными свободными радикалами, например, H^∙ и ē • aq , приводит к появлению относительно стабильных гидроперекисных радикалов и перекиси водорода (см. рис. 21).

Однако не важно, прямым или косвенным образом биомолекула стала радикалом, в любом случае она может взаимодействовать с растворенным кислородом следующим образом:

R + O₂  RO₂(3.15)

(R – органический перекисный радикал). И этот момент является уже существенным потому, что при большом количестве RH можно получить цепную реакцию:

RO₂ + RH  ROH + RO (3.16)

Рис. 21. Схема радиолиза воды.

Такие реакции ведут к появлению новых радикалов. Независимо от своего происхождения свободные радикалы R могут вступать в реакцию с биологическими молекулами и приводить впоследствии к радиобиологическому поражению клеточных структур.

О различии прямого и косвенного действия радиации на биологические объекты и величину их влияния на развитие лучевого поражения можно судить по двум феноменам – эффекту разведения и кислородному эффекту.

Эффект разведения – это состояние, при котором абсолютное число повреждённых молекул веществ в слабом растворе не зависит от его концентрации и остаётся для данной экспозиционной дозы постоянным, так как в этих конкретных условиях в растворе образуется постоянное количество активированных радикалов. При косвенном действии постоянно абсолютное число поврежденных молекул, а изменяется их соотношение к числу неповреждённых. При прямом действии число инактивированных молекул увеличивается с повышением концентрации раствора, а их соотношение к числу неповреждённых остается постоянным. То есть, если при добавлении растворителя к облучаемой системе радиационный эффект увеличивается, то обуславливается косвенным действием.

В развитии первичных реакций при облучении биообъектов большое значение имеет концентрация кислорода в окружающей среде. С повышением его концентрации в среде и объекте усиливается эффект лучевого поражения, и наоборот, при понижении концентрации кислорода наблюдается уменьшение степени лучевого поражения. Это явление было названо кислородным эффектом. Выраженность кислородного эффекта у разных видов излучений неодинакова и зависит от их линейной потери энергии, с повышением её эффект уменьшается. При действии излучений с малой плотностью ЛПЭ (гамма- и рентгеновские лучи) наблюдается наибольший эффект, а при воздействии альфа-частиц он полностью отсутствует. Кислородный эффект проявляется во всех радиобиологических реакциях – ослаблением или усилением биохимических изменений, мутаций у всех биологических объектов и на всех уровнях их организации.

В результате взаимодействия свободных радикалов воды с органическими соединениями и взаимодействия этих веществ с молекулярным кислородом образуются органические перекиси, которые обладают высокой химической активностью и различным временем существования. Они играют основную роль в первичных биохимических реакциях организма при действии излучения.

Стохастическая (вероятностная) теория. Эта гипотеза является развитием теории прямого действия излучений первичных радиобиологических процессов. Отличие её от теории попаданий состоит в том, что взаимодействие излучений с определённым участком клетки происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость дозы- эффекта обуславливается не только мишенью попадания, но и (в большой мере) состоянием биологического объект как динамической системы.