Методические материалы для 2 курса

6.Радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений.

7.Радиоактивные изотопы распадаются с определённой скоростью,

измеряемой периодом полураспада, то есть временем, когда первоначальное число ядер уменьшается вдвое. Отсюда радиоактивные изотопы подразделяются на короткоживущие (период полураспада исчисляется от долей секунды до нескольких дней) и долгоживущие (с периодом полураспада от нескольких месяцев до миллиардов лет).

8.Радиоактивный распад не может быть остановлен, ускорен или замедлен каким-либо способом.

9.Скорость ядерных превращений характеризуется активностью, т.е. числом распадов в единицу времени. Единицей активности является беккерель

(Бк)- одно превращение в секунду. Внесистемная единица активности -

кюри (Ки), в 3,7 х 1010 раз большая, чем беккерель.

Различают следующие виды радиоактивных превращений:

корпускулярные и волновые.

Ккорпускулярным относят:

1.Альфа-распад. Характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами и представляет собой поток ядер гелия,

несущих двойной положительный заряд. Испускание альфа-частиц различной энергии ядрами одного и того же вида происходит при наличии различных энергетических уровней. При этом возникают возбуждённые ядра, которые переходя в основное состояние, испускают гамма-кванты. При взаимодействии альфа-частиц с веществом их энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.

Альфа-частицам присуща самая большая степень ионизации – образование 60000 пар ионов на пути в 1 см воздуха. Сначала траектория частиц бывает прямолинейной, далее она становится зигзагообразной

191

(потеря энергии, столкновение с ядрами), что увеличивает плотность ионизации в конце пути частицы.

Обладая относительно большой массой и зарядом, альфа-частицы имеют незначительную проникающую способность. Так, для альфа-частицы с энергией 4 Мэв длина пробега в воздухе составляет 2,5 см, а

биологической ткани 0,03мм. Альфа-распад приводит к уменьшению порядкового номера вещества на две единицы и массового числа на четыре

единицы.

Альфа-частицы рассматриваются как внутренние облучатели.

Защита: папиросная бумага, одежда, алюминиевая фольга.

2.Электронный бета-распад. Характерен как для естественных, так и для искусственных радиоактивных элементов. Ядро испускает электрон и возникает при этом ядро нового элемента при неизменном массовом числе и с большим порядковым номером.

Когда ядро испускает электрон, это сопровождается выбросом нейтрино

(1/2000 массы покоя электрона).

При испускании бета-частиц ядра атомов могут находиться в возбуждённом состоянии. Переход их в невозбуждённое состояние сопровождается испусканием гамма-квантов. Длина пробега бета-частицы в воздухе при 4

Мэв 17 см, при этом образуется 60 пар ионов.

3.Позитронный бета-распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов. Масса ядра практически не изменяется, а

порядковый номер уменьшается на единицу.

192

4.К-захват орбитального электрона ядром. Ядро захватывает электрон с К-

оболочки, при этом из ядра вылетает нейтрон и возникает характеристическое рентгеновское излучение.

5.К корпускулярным излучениям относят также нейтронные. Нейтроны-не имеющие заряда элементарные частицы с массой, равной 1. В зависимости от их энергии различают медленные (холодные, тепловые и надтепловые)

резонансные, промежуточные, быстрые, очень быстрые и сверхбыстрые нейтроны. Нейтронное излучение самое короткоживущее: через 30-40

секунд нейтрон распадается на электрон и протон. Проникающая способность потока нейтронов сравнима с таковой для гамма-излучения.

При проникновении нейтронного излучения в ткани на глубину 4-6 см,

образуется наведённая радиоактивность: стабильные элементы становятся радиоактивными.

6.Самопроизвольное деление ядер. Этот процесс наблюдается у радиоактивных элементов с большим атомным номером при захвате их ядрами медленных электронов. Одни и те же ядра образуют различные пары осколков с избыточным количеством нейтронов. При делении ядер выделяется энергия. Если нейтроны вновь используются для последующего деления других ядер, реакция будет цепной.

Влучевой терапии опухолей применяются пи-мезоны – элементарные частицы с отрицательным зарядом и массой, в 300 раз превышающей массу электрона. Пи-мезоны взаимодействуют с ядрами атомов лишь в конце пробега,

где они разрушают ядра облучаемой ткани.

Волновые виды превращений.

1.Гамма-лучи. Это поток электромагнитных волн длиной от 0,1 до 0,001

нм. Скорость их распространения близка к скорости света. Проникающая способность высокая: они могут проникать не только через тело человека, но и через более плотные среды. В воздухе величина пробега гамма-лучей достигает нескольких сотен метров. Энергия гамма-кванта почти в 10000 раз выше энергии кванта видимого света.

193

2.Рентгеновские лучи. Электромагнитное излучение, искусственно получаемые в рентгеновских трубках. При подаче высокого напряжения на катод, из него вылетают электроны, которые с большой скоростью движутся к антикатоду и ударяются о его поверхность, изготовленную из тяжёлого металла. Возникает тормозное рентгеновское излучение, обладающее высокой проникающей способностью.

ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Источники ионизирующего излучения бывают естественного и

искусственного происхождения.

Естественная радиация обусловлена:

1.Космическим излучением (протоны, альфа-частицы, ядра лития, бериллия, углерода, кислорода, азота составляют первичное космическое излучение. Атмосфера земли поглощает первичное космическое излучение, затем формируется вторичное излучение, представленное протонами, нейтронами, электронами, мезонами и фотонами).

2.Излучением радиоактивных элементов земли (уран, торий, актиний, радий, радон, торон), воды, воздуха, строительных материалов жилых зданий, радона и радиоактивного углерода (С-14), присутствующих во вдыхаемом воздухе.

3.Излучением радиоактивных элементов, содержащихся в животном мире и организме человека (К-40, уран -238, торий -232 и радий -228 и 226).

Примечание: начиная с полония (№84) все элементы являются радиоактивными и способны к самопроизвольному делению ядер при захвате их ядрами медленных нейтронов (естественная радиоактивность). Однако естественная радиоактивность обнаруживается и у некоторых лёгких элементов (изотопы рубидия, самария, лантана, рения).

Для естественного радиационного фона характерен значительно более низкий уровень интенсивности облучения, нежели для искусственных источников.

194

Естественная радиация формирует природный фон ионизирующих

излучений.

Искусственная радиация

Источниками искусственной радиации являются рентгеновские аппараты

игамма-установки медицинского и промышленного назначения,

радиоактивные осадки, выпадающие на землю после испытаний ядерного оружия, стабильные изотопы, ставшие радиоактивными после облучения медленными нейтронами в атомных реакторах, ускорители заряженных частиц,

синхрофазотроны, отходы атомной промышленности.

Искусственная радиация формирует техногенный фон ионизирующих излучений.

ОСОБЕННОСТИ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.Ни один источник радиоактивного излучения не определяется ни одним органом чувств.

2.Радиоактивное излучение является универсальным фактором для различных наук.

3.Радиоактивное излучение является глобальным фактором. В случае ядерного загрязнения территории одной страны действие радиации получают и другие.

4.При действии радиоактивного излучения в организме развиваются специфические реакции.

КАЧЕСТВА, ПРИСУЩИЕ РАДИОАКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ

ИИОНИЗИРУЮЩЕМУ ИЗЛУЧЕНИЮ

1.Изменение физических свойств.

2.Способность к ионизации окружающей среды.

3.Проникающая способность.

4.Период полураспада.

5.Период полувыведения.

195

6.Наличие критического органа, т.е. ткани, органа или части тела, облучение которых может принести наибольший ущерб здоровью человека или его потомству.

ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА ОРГАНИЗМ

Непосредственные прямые нарушения в клетках и тканях, происходящие вслед за излучением, ничтожны. Так, например, при действии облучения,

вызывающего смерть подопытного животного, температура в его организме повышается всего лишь на одну сотую долю градуса. Однако при действии радиоактивного излучения в организме возникают весьма серьёзные разнообразные нарушения, которые следует рассматривать поэтапно.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ЭТАП

Явления, которые происходят на этом этапе, называются первичными или пусковыми. Именно они определяют весь дальнейший ход развития лучевых поражений.

Сначала ионизирующие излучения взаимодействуют с водой, выбивая из её молекул электроны. Образуются молекулярные ионы, несущие положительные и отрицательные заряды. Идёт так называемый РАДИОЛИЗ ВОДЫ.

Н2О – ē → Н2О+ Н2О + ē → Н2О–

Молекула Н2О может быть разрушена: Н и ОН

Гидроксилы могут рекомбинироваться:

ОН ОН образуется перекись водорода Н2О2

При взаимодействии Н2О2 и ОН образуется НО2 (гидропероксид) и Н2О

196

Ионизированные и возбуждённые атомы и молекулы в течение 10

секунды взаимодействуют между собой и с различными молекулярными системами, давая начало химически активным центрам (свободные радикалы,

ионы, ион-радикалы и др.). В этот же период возможны разрывы связей в молекулах как за счёт непосредственного взаимодействия с ионизирующим агентом, так и за счёт внутри- и межмолекулярной передачи энергии возбуждения.

2. БИОХИМИЧЕСКИЙ ЭТАП

Увеличивается проницаемость мембран, через них начинают диффундировать в органеллы электролиты, вода, ферменты.

Возникшие в результате взаимодействия излучений с водой радикалы взаимодействуют с растворёнными молекулами различных соединений, давая начало вторичнорадикальным продуктам.

Дальнейшее развитие радиационного поражения молекулярных структур сводится к изменениям белков, липидов, углеводов и ферментов.

Вбелках происходят:

-конфигурационные изменения белковой структуры.

-агрегация молекул за счёт образования дисульфидных связей

-разрыв пептидных или углеродных связей, ведущих к деструкции белков

-снижение уровня метионинадонатора сульфгидрильных групп,

триптофана, что приводит к резкому замедлению синтеза белков

-уменьшение содержания сульфгидрильных групп за счёт их инактивации

-повреждение системы синтеза нуклеиновых кислот

Влипидах:

-образуются перекиси жирных кислот, не имеющие специфических ферментов для их разрушения (действие пероксидазы незначительно)

-угнетаются антиоксиданты

Вуглеводах:

-полисахариды распадаются до простых сахаров

197

-облучение простых сахаров приводит к их окислению и распаду до органических кислот и формальдегида

-гепарин теряет свои антикоагулянтные свойства

-гиалуроновая кислота теряет способность соединяться с белком

-снижается уровень гликогена

-нарушаются процессы анаэробного гликолиза

-уменьшается содержание гликогена в мышцах и печени.

Вферментной системе нарушается окислительное фосфорилирование и изменяется активность ряда ферментов, развиваются реакции химически активных веществ с различными биологическими структурами, при которых отмечаются как деструкция, так и образование новых, не свойственных для облучаемого организма, соединений.

Последующие этапы развития лучевого поражения связаны с нарушением обмена веществ в биологических системах с изменениями соответствующих функций.

4.БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП ИЛИ СУДЬБА ОБЛУЧЁННОЙ КЛЕТКИ

Итак, эффект действия радиации связан с изменениями, происходящими,

как в клеточных органеллах, так и во взаимоотношениях между ними.

Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Повреждения этих структур происходят при малых дозах и в самые ранние сроки. В ядрах радиочувствительных клеток угнетаются энергетические процессы, нарушается функция мембран. Образуются белки, утратившие свою нормальную биологическую активность. Более выраженной радиочувствительностью, чем ядра, обладают митохондрии. Эти изменения проявляются в форме набухания митохондрий, повреждения их мембран, резком угнетении окислительного фосфорилирования.

Радиочувствительность клеток в значительной мере зависит от скорости протекающих в них обменных процессов. Клетки, для которых характерны

198

интенсивно протекающие биосинтетические процессы, высокий уровень окислительного фосфорилирования и значительная скорость роста, обладают более высокой радиочувствительностью, чем клетки, пребывающие в стационарной фазе.

Наиболее биологически значимыми в облучённой клетке являются

изменения ДНК: разрывы цепочек ДНК, химическая модификация пуриновых и пиримидиновых оснований, их отрыв от цепи ДНК, разрушение фосфоэфирных связей в макромолекуле, повреждение ДНК-мембранного комплекса, разрушение связей ДНК-белок и многие другие нарушения.

Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность («радиационный блок митозов»).

Нарушение метаболических процессов в клетке приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке. Этот феномен получил название биологического усиления первичного радиационного

повреждения. Однако, наряду с этим, в клетке развиваются и репарационные

процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление

структур и функций.

Наиболее чувствительными к ионизирующему излучению являются:

лимфатическая ткань, костный мозг плоских костей, половые железы, менее чувствительными: соединительная, мышечная, хрящевая, костная и нервная ткани.

Гибель клеток может произойти как в репродуктивную фазу,

непосредственно связанную с процессом деления, так и в любой фазе клеточного цикла.

Более чувствительны к ионизирующему излучению новорождённые

(ввиду высокой митотической активности клеток), старики (ухудшается способность клеток к восстановлению) и беременные. Повышается чувствительность к ионизирующим излучениям и при введении некоторых химических соединений (так называемая радиосенсибилизация).

Биологический эффект зависит:

199

-от вида облучения

-от поглощённой дозы

-от распределения дозы во времени

-от специфики облучаемого органа

Наиболее опасно облучение крипт тонкого кишечника, семенников,

костного мозга плоских костей, области живота и облучение всего организма.

Одноклеточные организмы примерно в 200 раз менее чувствительны к действию радиации, чем многоклеточные.

РАДИОТОКСИЧНОСТЬ

В результате радиационных нарушений обменных процессов в организме накапливаются радиотоксины – это химические соединения, которые играют определённую роль в патогенезе лучевых поражений.

Радиотоксичность зависит от ряда факторов:

1.Вида радиоактивных превращений: альфа-излучение в 20 раз токсичнее бета-излучения.

2.Средней энергии акта распада: энергия Р-32больше С-14.

3.Схемы радиоактивного распада: изотоп более токсичен, если даёт начало новому радиоактивному веществу.

4.Путей поступления: поступление через желудочно-кишечный тракт в 300

раз более токсично, чем поступление через неповреждённую кожу.

5.Времени пребывания в организме: больше токсичность при значительном периоде полураспада и малой скорости полувыведения.

6.Распределения по органам и тканям и специфики облучаемого органа:

остеотропные, гепатотропные и равномерно распределяющиеся изотопы.

7.Продолжительности поступления изотопов в организм: случайное проглатывание радиоактивного вещества может окончиться благополучно,

при хроническом поступлении возможно накопление опасного количества излучателя.

200