Теории непрямого действия ионизирующих излучений

При косвенном действии ионизирующих излучений наиболее выражен 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. В результате радиолиза в тканях образуются химически активные свободные радикалы, которые в свою очередь могут разрушать структуру тканей и их функциональность.

Процесс радиолиза воды совершается в три фазы:

1. в физическую – длится 10^-13...10^-16 с;

2. в фазу первичных физико-химических превращений – 10^-6...10^-9с;

3. в фазу химических реакций – 10^-5...10^-6с.

В физической фазе происходит взаимодействие ионизирующего излучения с молекулой воды, в результате чего выбивается электрон с внешней орбиты атома и образуется положительно заряженный ион воды:

1) γ→Н₂О→+Н₂О⁺.

Также, при эффекте возбуждения может образоваться нейтрально заряженная молекула воды с избытком энергии, привнесенной ионизирующим излучением:

2) g → Н₂О → Н₂О*.

Продолжительность существования таких молекул очень короткая; они распадаются (диссоциируют), образуя высокореактивные свободные радикалы водорода и гидроксила ( Н ^· и ОН ^· );

Фаза радиолиза воды — фаза первичных физико-химических реакций:

1) Н₂О⁺ → Н⁺ + ОН ^·

2) «Вырванный» электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды:

+Н₂О→Н₂О^–.

Н₂О^– →Н ^· + ОН ^–

3) Вырванный из молекулы воды под действием излучения электрон может присоединиться и к положительно заряженному иону воды с образованием возбужденной молекулы:

Н₂О⁺+→Н₂О*.

Избыточная энергия этой молекулы расходуется на ее расщепление с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила:

Н₂О*→ Н ^· + ОН ^·.

4) Н₂О* →Н ^· + ОН ^·

5) Ионизированная молекула воды (Н₂О⁺) может реагировать с другой нейтральной молекулой воды (Н₂О), в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила (ОН ^·):

Н₂О⁺ + Н₂О→Н₃О⁺ + ОН ^·

Третья фаза действия ионизирующего излучения – фаза химических реакций.

Гидроксильные радикалы (ОН ^·) – сильные окислители, а радикал водорода (Н ^·) – восстановитель.

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:

1) Н ^· + ОН ^· → Н₂О (рекомбинация, восстановление воды);

2) Н ^· + Н ^· → Н₂ (образование молекул водорода);

3) ОН ^· + ОН ^· → Н₂О + О (образование молекул воды и выделение кислорода, который является сильным окислителем);

4) ОН ^· + ОН* → Н₂О₂ (образование пероксида водорода).

При наличии в среде растворенного кислорода О₂ возможна реакция образования гидропероксидов:

5) Н*+О₂ →НО ^· ₂ (гидропероксидный радикал). Эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем эффекте ионизирующего излучения.

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:

5.1) НО ^· ₂+НО ^· ₂→Н₂О₂+О₂;

5.2) НО ^· ₂+Н ^· →Н₂О₂ (пероксид водорода);

5.3) НО ^· ₂ +НО ^· ₂ →Н₂О₄ (высший пероксид).

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) действия.

Величина прямого и непрямого действия в первичных радиобиологических эффектах различных систем неодинаковая. В абсолютно чистых сухих веществах будет преобладать прямое, а в слаборастворенных – косвенное действие радиации. У животных, по данным А. М. Кузина, примерно 45 % поглощенной энергии излучения действует непосредственно на молекулярные структуры – прямое действие, а остальные 55 % энергии вызывают непрямое действие.

О различии прямого и косвенного действия радиации на биологические объекты и величине их влияния на развитие лучевого поражения, по мнению авторов теории, можно судить по двум феноменам – эффекту разведения и кислородному эффекту.

Кислородный эффект. В развитии первичных реакций при облучении биообъектов большое значение имеет концентрация кислорода в среде. С повышением его концентрации в окружающей среде и объекте облучения усиливается эффект лучевого поражения, и, наоборот, при понижении концентрации кислорода наблюдается уменьшение степени лучевого поражения.

Рис. 0.3. Проявление кислородного эффекта при воздействии:

а – рентгеновскими лучами; б – нейтронами и в – альфа-частицами;

1 – в присутствии кислорода; 2 – в отсутствии кислорода.

Кислородный эффект нередко применяется при лечении больных со злокачественными новообразованиями. Для усиления лучевого поражения клеток опухоли создают условия повышенного содержания кислорода в ней и одновременно для уменьшения радиационного повреждения здоровых клеток обеспечивают гипоксическое состояние окружающих тканей.

У млекопитающих максимальная радиочувствительность тканей отмечается при нормальном парциальном давлении кислорода (30...45 гПа). Снижая насыщенность тканей кислородом, можно повысить радиорезистентность животного. Повышение содержания кислорода в окружающей среде и в объекте облучения после лучевого воздействия положительно влияет на процессы пострадиационного восстановления.

Кроме того существуют теории:

ЛИПИДНЫХ РАДИОТОКСИНОВ;

СТРУКТУРНО-МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАДИАЦИОННОГО ПОРАЖЕНИЯ

Дата добавления: 2014-01-05