Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений

Прямое действие ионизирующих излучений — такие изменения, ко­торые возникают в результате поглощения энергии излучения самими молекулами, а поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и макромолекул (т. е. с утерей или приобретением электрона самими рассматриваемыми молекулами («мишенями»). & Косвенное (непрямое) действие ионизирующих излучений — измене­ния молекул клеток и тканей, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) окружающей эти молекулы воды и раство­ренных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излуче­ния, поглощенной самими исследуемыми молекулами.

На основе представления о прямом действии ИИ возникла теория мишени и попаданий. Эта теория объясняла наличие в клетке жизненно важного центра (гена или ансамбля генов) — мишени, попадание в которую одной или нескольких высокоэнергетических частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клет­ки. Попадание в мишень — вероятностное событие. Дальнейшим раз­витием теории прямого действия излучений явилась стохастическая (вероятностная) теория.

При косвенном действии ИИ наиболее важен процесс радиолиза (радиационного разрушения) воды, потому что вода составляет основу важнейших структур клетки (80-90 %). Именно в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, гормоны и другие жизненно важные вещества, являющиеся основными компонентами клетки, ко­торым легко может быть передана энергия, первоначально поглощен­ная водой.

Под действием ионизирующего излучения в клетке начинаются физико-химические процессы, в результате которых образуются хи­мически высокоактивные соединения, радикалы и ионы, повреждаю­щие биологические структуры организма и вызывающие рассогласова­ние его функций. Воздействие ионизирующей радиации на живое вещество проходит в три фазы: в физическую, в фазу первичных физико-химических превращений; в фазу химических реакций.

Физическая фаза по существу — один из моментов прямого действия; ИИ на молекулярные и биологические структуры клетки. При взаимо­действии ИИ (гамма-кванты, заряженные частицы, и т: д.) с элект­ронными оболочками атомов происходит возбуждение и ионизация^ атомов или молекул вещества, через которые излучения проходят. При этом на один акт ионизации приходится 10—100 возбужденных ато­мов, которые в процессе рекомбинации излучают избыток энергии в виде характеристического рентгеновского излучения.В физическую фазу происходит взаимодействие ИИ с молекулой воды, в результате чего выбивается электрон с внешней орбиты атома и образуется положительно заряженный ион воды. «Выбитый» электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды. При эффекте возбуждения образуется нейтрально заряженная мо­лекула воды с избытком энергии, привнесенной ИИ

Фаза первичных физико-химических реакций:

Выбитый из молекулы воды под действи­ем излучения электрон может присоединиться к положительно заря­женному иону воды с образованием возбужденной молекулы. Избыточная энергия этой молекулы расходуется на ее расщепление с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила. Ионизированная молекула воды (Н20+) может реагировать с дру­гой нейтральной молекулой воды (Н20), в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила (ОН').На этом заканчивается физико-химическая фаза и развивается тре­тья фаза действия ионизирующего излучения.

Фаза химических реакций. Обладая очень высокой химической ак­тивностью за счет наличия неспаренного электрона, свободные ради­калы взаимодействуют друг с другом или с растворенными в воде веществами. Реакции могут идти следующими путями: рекомбинация, восстановление воды; образование молекул воды и выделение кислорода, который является сильным окислителем; образование пероксида водорода

При наличии в среде растворенного кислорода О2 возможна реак­ция образования гидропероксидов. Эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем эффек­те ИИ. Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода и высшие пероксиды, которые обладают высокой токсичностью, но они очень быстро разлагаются в организме фермен­том каталазой на воду и кислород. Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют этап первичных химических реакций воды и растворенных в ней ве­ществ, а в случаях облучения животных и растений — и биологических молекул.

Энергия излучения может поглощаться и непосредственно молеку­лами органических соединений. При этом также образуются возбуж­денные молекулы, ионы, радикалы и перекиси.

Возможна также диссоциация органических молекул или присоеди­нение к ним радикала. В результате они либо разрушаются, либо инактивируются, теряя свои биологические свойства. Энергия излучения, поглощенная молекулой белка или нуклеиновой кислоты, может передаваться ее структурами, разрушая молекулу в оп­ределенных, наиболее уязвимых местах.

Таким образом, первичные процессы, происходящие в организме непосредственно в момент действия изучения, заключаются в образовании возбужденных молекул, ионов, радикалов и перекисей. На биологической стадии воздействия эти высокоактивные в хими­ческом отношении соединения вступают в реакции с компонентами сложных биохимических систем живого организма, что приводит к нарушениям химических процессов и структур клеток и, как следствие, — к нарушению функций на уровне целостного организма.