Относительный вклад прямого и косвенного действия радиации в повреждение биологических систем зависит от размера и природы молекул, а также от концентрации их раствора. При облучении макромолекул небольших размеров в растворах преобладает косвенное действие радиации, в сухих препаратах – прямое действие. Роль прямого действия выше для относительно слабо гидратированных структур, таких, например, как ДНК хроматина. Непрямое действие радиации имеет определяющее значение при повреждении фосфолипидов, составляющих структурную основу клеточных мембран. С другой стороны возникшие повреждения могут быть репарированы с восстановлением нормальной жизнедеятельности клетки. Естественно, чем выше доза облучения, тем больше возникает первичных повреждений и тем меньше возможность их достаточной репарации.
К высокореактивным продуктам, вступающим в реакции на химической стадии, относятся, прежде всего, радикалы ОН· и Н· и гидратированный электрон (e–гидр.):
Н· + Н· →Н2
ОН· + ОН· → Н2О2
Cl– + OH· → Cl· + OH–
>С = С< + ОН· → >С· – СОН< RRH + OH· → RR· + H2O НО· + Н2 → Н2О + Н·.
>С = С < + Н· → >С· – СН< RRH + H· → RR· + H2
E–гидр. + NH3+CH(CH2 SH)COO– (цистеин) → H2S + NH2CH(CH2)COO–.
Кроме того, при взаимодействии первичных продуктов радиолиза воды с кислородом образуются ионы Н3О+, пероксид водорода Н2О2, а также супероксидный анион-радикал O2–· и гидропероксид HO2·, обладающие даже более высокой реакционной способностью, чем первичные радикалы.
Эндогенный NO, основной регулятор локального тонуса артериальных сосудов, является также радикалом и активно взаимодействует с супероксид-анион-радикалом с образованием пероксинитрит-аниона:
О2– + NO· → ONOO–.
Пероксинитрит, являясь токсическим веществом, способным повреждать белки и ДНК, при своем распаде вновь образует высокореактивные продукты – гидроксильный радикал НО·, диоксид азота NO2 и нитроний ион NO2+.
При взаимодействии с органическими веществами радикала водорода Н. происходит отщепление водорода:
RH + H· → R· + H2,
а при наличии свободной аминогруппы все завершается дезаминированием:
RNH2 + H· → R· + NH3.
Образующиеся в результате как прямого, так и непрямого действия радиации органические радикалы также обладают высокой реакционной способностью. Они могут вступать в реакции
R· + OH → ROH;
R· + H → RH;
- образования гидроперекисных радикалов:
R· + O2 → ROO·
ROO· + RH → ROOH + R·.
Соединяясь с кислородом, органические радикалы образуют пероксидные радикалы типа RO2·, которые, в свою очередь, могут переходить в гидроперекиси, отщепляя водород от других соединений:
RO2· + RSH → ROOH + RS·.
При распаде после внутримолекулярных перестроек, при повторном взаимодействии с продуктами радиолиза воды или после реагирования друг с другом радикалы органических молекул могут перейти в стабильное состояние путем следующих процессов:
R· + R· → R1 + R2;
R· + R· → R – R;
R· + R → – R – R –.
Чаще всего, вступая в разнообразные реакции, органические радикалы инактивируются. Однако образовавшийся в результате облучения свободный радикал может прореагировать с нормальным радикалом, участвующим в важной ферментативной реакции, и инактивировать его. В этом случае повреждающее действие радикалов может быть связано с ингибированием соответствующей реакции.
Физическая, химическая и физико-химическая стадии действия радиации получили наименование первичных (или добиологических). Они осуществляются в течение чрезвычайно короткого промежутка времени (в пределах 1 млс) и являются общими для действия излучений как на живую, так и на неживую материю.
Биологическая стадия, сущность которой составляют вторичные, так называемые радиобиологические эффекты, прослеживаемые на всех уровнях организации живого, начиная с субклеточного и завершая организменным. Если для осуществления добиологических стадий требуется промежуток времени, измеряемый в пределах тысячной доли секунды, биологическая стадия может длиться годами и десятилетиями, нередко в течение всей жизни индивидуума, подвергшегося облучению, а иногда и у его потомков.