Поскольку живая материя на 70–90 % состоит из воды, то большая часть энергии излучения первично поглощается именно молекулами воды.

Таким образом, в основе косвенного действия ионизирующего излучения лежит воздействие продуктоврадиолиза воды на биомолекулы. Механизм радиолиза воды заключается в следующем.

При воздействии ионизирующего излучения в воде идут процессы ионизации или возбуждения. В результате ионизации из молекулы воды выбивается электрон, и образуется положительно заряженная молекула воды:

Физико-химическая стадия радиолиза воды начинается примерно с 10^-14с. На этой стадии важную роль играют процессы с участием молекул, в результате которых в системе устанавливается тепловое равновесие.

Время колебания молекулы Н₂О равно ~10^-14с. Поэтому в течение указанного времени происходят диссоциация возбужденных и сверхвозбужденных молекул, автоионизация сверхвозбужденных молекул и ионно-молекулярная реакция Н₂О⁺ с Н₂О. К концу физико-химической стадии (т. е. к моменту времени ~10^-12 –10^-11 c) в воде существует e^-_aq , H, OH, H⁺_aq,, O и H₂.

На этой стадии происходит образование свободных радикалов. Сво­бодные радикалы - это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбите. Они являются весьма реакци­онноспособными, т.к. имеют тенденцию спаривать этот электрон с анало­гичным электроном в другом СР либо удалять его из атома путем элект­ронного излучения. Следовательно, СР могут быть как окислителями (ак­цепторами), так и восстановителями (донорами).

В основе первичных радиационно-химических изменений на данной стадии могут лежать 2 механизма:

1) прямое действие - когда молекула претерпевает изменения непос­редственно при взаимодействие с ИИ;

2) косвенное действие - когда молекула непосредственно не погло­щает энергию от ИИ, а получает ее от других молекул.

Поскольку живая материя на 70-90% состоит из воды, то большая часть энергии излучения поглощается именно молекулами воды.

Таким образом, в основе косвенного действия ионизирующего излуче­ния лежит воздействие продуктов радиолиза воды на биомолекулы или т.н. радиационно-индуцированные свободнорадикальные реакции. Механизм ради­олиза воды заключается в следующем.

При воздействии ИИ в воде идут процессы ионизации и возбуждения. В результате ионизации из молекулы воды выбивается электрон и образу­ется положительно заряженная молекула воды:

 Н₂О + h → Н₂О⁺ + ⁰е^-.

Если энергии для ионизации недостаточно, то возможно образование возбужденной молекулы воды:

Н₂О + h → Н₂О^*

Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, кото­рая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды:

Н₂О + е^- - Н₂О^-

Все перечисленные первичные продукты взаимодействия молекулы воды с излучением (Н₂О⁺, Н₂О^-, Н₂О*) являются нестабильными и распадаются с образованием ионов и свободных радикалов:

Н₂О⁺ ® Н⁺ + ОН

Н₂О^- ® Н + ОН^-

Н₂О^* ® Н + ОН

Кроме того, выбитый электрон может окружить себя четырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон е^-_aq и может быть захвачен молекулой Н₂О⁺ с образованием возбужденной молекулы воды:

Н₂О⁺ + е^-_aq - Н₂О^*

Возбужденная молекула воды распадается на атомарный водород Н и гидроксильный радикал ОН. Далее радикалы могут реагировать друг с другом. Это, в первую очередь, касается радикалов Н и ОН, образующих­ся при распаде Н₂О*, после реакции:

Н + Н → Н₂

ОН + ОН → H₂ O₂

Н + ОН → Н₂О

Образовавшиеся радикалы могут вступать в реакцию с другими моле­кулами воды:

Н₂О + Н → ОН + Н₂

Продукты радиолиза воды способны вырывать атом водорода из орга­нических молекул, превращая их в радикалы:

RН + Н → R + Н₂

RН + ОН →R +H2 O

Продукты радиолиза воды могут также реагировать с молекулами растворенного кислорода, в результате чего образуются перекисные ради­калы, обладающие высокой реакционной способностью:

Н + О₂ - НО₂ (гидроперекисный радикал);

О₂ + е^-_aq ^-₂ (супероксидный радикал).

В целом для продуктов радиолиза воды наиболее характерны реакции окисления или восстановления субстрата, образования радиотоксинов. К окислителям относят следующие продукты радиолиза воды:

ОН, Н₂О₂, НО₂, О₂^-.

К восстановителям относят Н, е^-_aq.

Образование радиотоксинов происходит в результате реакции с хино­ном и убихиноном.

Необходимо отметить, что в присутствии кислорода образуются до­полнительные реакционноспособные радикалы, которые обладают выраженным поражающим действием. Кроме того, молекула кислорода обладает электро­ноакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при действии излучения радикалами биологических молекул, как бы фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения и делает их трудно допустимы­ми для репарации.

Следовательно, в присутствии кислорода отмечается усиление луче­вого повреждения по сравнению с наблюдаемым в анаэробных условиях. Это явление известно в радиобиологии как кислородный эффект.

Количественной мерой КЗ служит коэффициент кислородного усиления. При облучении отдельных клеток он равен 3, т.е. в присутствии кислоро­да лучевое повреждение усиливается втрое.

Для проявления такого действия кислород должен присутствовать в клетке в момент облучения. Однако в дальнейшем кислород играет положи­тельную роль: он необходим для нормальной работы систем репарации ДНК.

 {\displaystyle {\mathsf {2H\cdot \rightarrow H_{2}}}}

{\displaystyle {\mathsf {2HO\cdot \rightarrow H_{2}O_{2}}}}

{\displaystyle {\mathsf {H_{2}O_{2}+HO\cdot \rightarrow HO_{2}\cdot +H_{2}O}}}

{\displaystyle {\mathsf {HO_{2}\cdot +H_{2}O_{2}\rightarrow H_{2}O+HO\cdot +O_{2}}}}

Основы количественной радиологии.

Теория попадания: концепция мишени и принцип попадания.

Теория мишени и попаданий. Эта теория объясняла наличие в клетке жизненно важного центра (гена или ансамбля генов) — ми ​шени, попадание в которую одной или нескольких высокоэнерге ​тических частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клетки.

Попадание в мишень — вероятностное событие. Чем больше доза, тем оно вероятнее (доза-эффект); чем меньше, тем оно менее веро​ятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно.

В опытах на микробных клетках была показана количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом: с увеличени ​ем дозы излучений в геометрической прогрессии увеличивается ко ​личество поврежденных единиц в объеме облучения. Когда гибель клеток, разрушение молекул, инактивацию ферментов можно опи​сать экспоненциальной кривой, говорят об одноударном поражении, т. е. инактивация объекта происходит под действием одного попа​дания (это для микробных клеток, бактерий, вирусов).

В определенном диапазоне малых доз число пораженных мишеней при одноударном поражении строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества, в связи, с чем зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии (рис. 1а). С повышением дозы излучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличи​вается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональ​ным дозе, их эффективность (на единицу дозы) уменьшается_;и ко​личество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптоти​чески приближаясь к 100% (см. рис. 1б). Иначе говоря, количе ​ ство жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы.

Вид кривых доза-эффект.

Для инакти​вации и разрушения клеток животных и растительных тканей тре​буется более одного попадания в мишень или поражение двух мишеней и более, каждая из которых должна быть поражена. Поэтому данный процесс называется многоударным, и гибель клеток описывается S-образно кривой, вычерченной в нормальных координатах.

При изображении таких кривых в полулогарифмическом мас​штабе (см. рис. 11.2, б) они (см. гл. 7) приобретают плечо, перехо​дящее в прямолинейный участок, наклон которого совпадает с наклоном соответствующей одноударной кривой. При экстраполи​ровании прямолинейного участка кривой к нулевой дозе на оси ординат отсекаются отрезки, соответствующие«ударности» мише ​ ней»(или их числу). Изображение многоударных кривых в полуло​гарифмическом масштабе позволяет достаточно точно оценить выживаемость при ее малых значениях (больших дозах) и легко определить экстраполяционное число,характеризующее число ми​шеней (ударов), поражение которых необходимо для инактивации клетки.

Таким образом, в основе теории мишени лежат два положения. Первое из них — принцип попадания – характеризует особенность действующего агента (излучения). Эта особенность заключается в дискретности поглощения энергии излучения, т. е. поглощения пор​ций энергии при случайном попадании в мишень. Второе положе​ние — принцип мишени – учитывает особенность облучаемого объекта (клетки), т. е. различие в ее ответе на одно и то же попада​ние.

Однако эта теория многое не объясняет, в частности зависимос​ти радиобиологического эффекта от температуры и наличия в облу​чаемой среде кислорода. Было замечено, что понижение температу​ры и снижение концентрации кислорода в среде снижают радиаци​онный эффект, т. е. гибель клеток уменьшается.

По мнению Д. Е. Ли, одного из авторов теории мишени, эта тео​рия может быть справедливой только в отдельных случаях – при инактивации или убивании бактерий, вирусов и одноклеточных организмов и при мутации. Эта особенность лежит в основе приме​нения ионизирующих излучений в радиационной генетике и селекции микроорганизмов, грибов и растений, а также в радиационно-биологической технологии (РБТ) как способ холодной стерилиза​ции биологических препаратов (вакцин, сывороток, гормонов, ви​таминов), медицинских инструментов и перевязочного материала, не выдерживающих термической или химической обработки или теряющих при этом свои функциональные свойства, консервации пищевых продуктов.

Миграция заряда и энергии.

Действие ионизирующих излучений на клетку и целостный организм.

Повреждением биологически важных макромолекул далеко не полностью объясняется ионизирующее поражение клетки. Клетка - слаженная динамическая система биологически важных макромолекул, которые скомпонованы в субклеточных образованиях, выполняющих определенные физиологические функции. Поэтому эффект действия источников ионизирующих излучений можно понять, лишь приняв во внимание изменения, происходящие как в самих клеточных органеллах, так и во взаимоотношениях между ними.

Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Повреж-

дения этих структур наступают при малых дозах и проявляются в самые ранние сроки. Так, при облучении митохондрий лимфатиче- ских клеток дозой 0,5 Гр и более процессы окислительного фосфорилирования угнетаются в ближайшие часы облучения. При этом обнаруживаются изменения физико-химических свойств нуклеопротеидных комплексов, в результате чего происходят количественные и качественные изменения ДНК и разобщается процесс синтеза ДНК- РНК-белок. В ядрах радиочувствительных клеток почти тотчас же после облучения угнетаются энергетические процессы, ионы натрия и калия выбрасываются в цитоплазму, нарушается нормальная функция мембран. Одновременно возможны разрывы хромосом, выявляемые в период клеточного деления, хромосомные аберрации и точковые мутации, в результате которых образуются белки, утратившие свою нормальную биологическую активность. Более выраженной радиочувствительностью, чем ядра, обладают митохондрии. Так, зна- чительные изменения в структуре митохондрий лимфатических клеток селезенки обнаруживаются уже через 1 ч после облучения дозой 1 Гр. Эти изменения проявляются набуханием митохондрий, деструкцией крист и просветлением матрикса. В ряде случаев отмечаются повреждения мембраны митохондрий, проявляющиеся прежде всего в резком угнетении процессов окислительного фосфорилирования. В чувствительных к излучению тканях это нарушение обнаруживается уже при дозах фотонного излучения 0,5-1 Гр.

Эффект воздействия ионизирующего излучения на клетку - результат комплексных взаимосвязанных и взаимообусловленных преобразований. По А.М. Кузину, радиационное поражение клетки осуществляется в три этапа.

На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные образования, ионизируя и возбуждая их. При поглощенной дозе фотонного излучения 10 Гр в клетке образуется до 3?10⁶ ионизированных и возбужденных молекул. При этом в ядре должно возникнуть около 9?10⁵ активных центров, в каждой митохондрии - 900 центров, в эндоплазматическом ретикулуме - 4,5?10⁵ и в каждой лизосоме - около 200 активных центров. На эти процессы прямого воздействия расходуется до 80% поглощенной энергии. Кроме того, от 25 до 50% образовавшихся в результате радиолиза воды радикалов реагируют с макромолекулами клетки.

Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекулам, реализуясь в слабых местах. В белках, вероятно, это SН-группы, в

химического усиления радиационного эффекта, и основную роль в развитии этого эффекта играет повреждение надмолекулярных структур, обладающих высокой радиочувствительностью.

В зависимости от количества этих структур в клетках в определенной степени изменяется и их радиочувствительность. Так, при удвоенном количестве ДНК в клетке при облучении повышается содержание части ДНК в неповрежденном виде. Поэтому диплоидные клетки более устойчивы, чем гаплоидные. Уменьшение числа митохондрий повышает степень поражения каждой из них, в результате чего радиочувствительность возрастает.

Радиочувствительность клеток в значительной мере зависит от скорости протекающих в них обменных процессов. Клетки, для которых характерны интенсивно протекающие биосинтетические процессы, высокий уровень окислительного фосфорилирования и значительная скорость роста, обладают более высокой радиочувствительностью, чем клетки, пребывающие в стационарной фазе.

Наконец, следует подчеркнуть, что конечный эффект облучения является результатом не только первичного повреждения клеток, но и последующих процессов восстановления. Предполагается, что значительная часть первичных повреждений в клетке возникает в виде так называемых потенциальных повреждений, которые могут реализоваться в случае отсутствия восстановительных процессов. Реализации этих процессов способствуют процессы биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. Пока реализации потенциальных повреждений не произошло, клетка может в них восстановиться. Такое восстановление, как предполагается, связано с ферментативными реакциями и обусловлено энергетическим обменом. Считается, что в основе этого явления лежит деятельность систем, которые в обычных условиях регулируют интенсивность естественного мутационного процесса.

Таковы современные взгляды на механизм развития поражения клетки, возникающего при действии ионизирующих излучений. Если принять в качестве критерия чувствительности к ионизирующему излучению морфологические изменения, то ткани клетки и органы человека по степени снижения чувствительности можно расположить в следующем порядке: гонады и красный костный мозг; толстая кишка, легкие и желудок; мочевой пузырь, молочная железа, печень, пищевод, щитовидная железа; кожа и клетки костных поверхностей; остальные органы и ткани.

ДНК - хромофорные группы тимина, в липидах - ненасыщенные связи. Указанный этап повреждения может быть назван физической стадией лучевого воздействия на клетку.

Второй этап - химические преобразования, соответствующие процессам взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот и липидов с водой, кислородом, радикалами воды и биомолекулами, а также возникновению органических перекисей, вызывающих быстро протекающие реакции окисления, которые приводят к появлению множества измененных молекул. В результате этого начальный эффект многократно усиливается. Радикалы, появляющиеся в слоях упорядоченно расположенных белковых молекул, взаимодействуют с образованием сшивок, в результате чего нарушается структура биологических мембран. Повреждение мембран приводит к высвобождению ряда ферментов. Вследствие повреж- дения лизосомных мембран увеличивается активность ДНКазы, РНКазы, катепсинов, фосфатазы и ряда других ферментов.

Нарушения, наступающие в результате высвобождения ферментов из клеточных органелл и изменения их активности, соответствуют третьему этапу лучевого поражения клетки - биохими- ческому.

Высвободившиеся ферменты путем диффузии достигают любой органеллы клетки и легко проникают в нее благодаря увеличению проницаемости мембран. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков. Было бы неправильным особо выделять какое-то одно биохимическое нарушение, возникающее при этом, так как радиационный эффект отмечается в результате многих самых разнообразных повреждений тонко сбалансированного механизма биохимических реакций. Вместе с тем, рассматривая действие радиации на клетки, можно говорить о ведущих повреждениях, приводящих к нарушению той или иной функции. Так, нарушения процессов окислительного фосфорилирования связаны с повреждением структуры митохондрий. В то же время указанные нарушения могут возникать в результате повреждения лизосом и высвобождения из них гидролитических ферментов. Изменения в клеточном ядре способны приводить к синтезу ферментов с измененной или утраченной активностью и т.д. Действие ничтожно малых количеств поглощенной энергии оказывается для клетки губительным вследствие физического, химического и био-