Глава 2. Биологическое действие излучений

2.1. Радиационно-химические механизмы действия ионизирующих излучений

В развитии поражения после воздействия ионизирующих излучений выделяют несколько стадий: физическую, физико-химическую, химическую и биологическую (табл. 6). Первые три из них оцениваются как первичные или добиологические. Они в значительной степени являются общими как для живых организмов, так и для химических соединений, их растворов, смесей.

Таблица 6. Основные стадии в действии ионизирующих излучений на биологические системы

На физической стадии образуются возбужденные и ионизированные атомы и молекулы, случайным образом распределенные в веществе, поскольку вероятность поглощения энергии тем или иным атомом, из которых построены биологические молекулы, практически одинакова. Количество энергии, поглощенной молекулами каждого типа, примерно пропорционально их относительной массе. Соответственно, в живых клетках органическими и неорганическими (кроме воды) молекулами поглощается около 25 % энергии, а водой ≈ 75 %.

На физико-химической стадии поглощенная энергия мигрирует по макромолекулярным структурам и распределяется между отдельными биомолекулами, что сопровождается разрывами химических связей там, где эти связи менее прочны. Поэтому, хотя на физической стадии поглощение энергии различными молекулярными структурами было не избирательным, по окончании физико-химической стадии разрывы связей обнаруживаются преимущественно в определенных структурах. В белковых молекулах – это аминокислоты, содержащие спаренные арильные радикалы (например триптофан), а также тиоловые и дисульфидные группировки; в нуклеиновых кислотах — это азотистые (в первую очередь, пиримидиновые) основания.

На следующем этапе разрывы химических связей приводят к образованию свободных радикалов, отличающихся очень высокой химической активностью. В связи с тем, что в живых системах около 75 % энергии излучения поглощается водой, на физико-химической стадии образуются многочисленные продукты радиолиза воды:

Н₂О + hν → Н₂О^˙ → Н^· + НО^· Н₂О + hν → Н₂О⁺ + е^– Н₂О + е^– → е^–_гидр → Н^· + НО^–

Н₂О + е^– → Н₂О⁺ → Н^· + ОН^·

Н₂О → Н⁺ + ОН^· е^– + Н⁺ → Н^·

Н₂О⁺ + ОН^– → Н₂О + ОН^·

Н₂О⁺ + Н₂О → Н₃О⁺ + ОН^·

Н₃О⁺ + е^– → Н₂О + Н^·.

В частности, при ионизации воды образуются ион Н₂О⁺ и электрон (e^–), который после замедления при прохождении через вещество либо рекомбинирует с образованием воды (e^– + Н₂О⁺ → Н₂О), либо образует отрицательно заряженный ион Н₂О^– (Н₂О + e^– → Н₂О^–). Ионы Н₂О⁺ и Н₂О^– неустойчивы и разлагаются, образуя стабильные ионы Н⁺ и ОН^–, которые могут рекомбинировать с образованием молекул воды, и свободные радикалы Н^· и ОН^· (Н₂О⁺ → Н⁺ + ОН^· или Н₂О^– → ОН^– + Н^·).

Среди основных продуктов радиолиза воды должен быть назван и гидратированный электрон (e^–_гидр.). Электрон, теряющий в конце пробега свою кинетическую энергию, как бы захватывается расположенными рядом молекулами воды, которые соответствующим образом ориентируются вокруг него. Эта структура и получила наименование «гидратированный электрон».

Гидроксильный радикал ОН^·, образующийся в процессе радиолиза воды, выступает как очень сильный окислитель. Радикал водорода Н^· и гидратированный электрон обладают высокой реакционной способностью как восстановители.

Во время химической стадии образовавшиеся ранее высокоактивные свободные радикалы вступают в реакции между собой и с интактными молекулами, в результате чего возникают разнообразные повреждения молекул. Если повреждение биомолекул происходит в результате непосредственного поглощения ими энергии излучения, принято говорить о прямом действии радиации. Если же биомолекулы повреждаются в результате их химического взаимодействия с продуктами радиолиза воды, говорят о непрямом действии радиации.

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

• гидроксилирования:

R^· + OH → ROH;

• гидрирования:

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:

• диспропорционирования:

R^· + R^· → R₁ + R₂;

• димеризации:

R^· + R^· → R – R;

• полимеризации:

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.