Действие ионизирующего излучения на биологические молекулы и клетки

На практике большие дозы облучения люди получают очень редко. В подавляющем большинстве случаев имеют дело не с острым, а с хроническим облучениям при небольшой мощности эффективной дозы. В таких случаях радиационные эффекты проявляются крайне редко и через большой промежуток времени после облучения, что значительно затрудняет их изучение. Заболевания, инициированные облучениям, немногочисленные и по клиническим признакам практически невозможно достоверно определить, вызваны они облучением или другими причинами нерадиацийного характера.

Большинство имеющихся данных о влиянии ионизирующего излучения на организм человека получены в результате медицинских наблюдений за группами людей, которые получили большие дозы облучения при ядерных взрывах. Важную роль играют и радиобиологические исследования животных после получения ими значительных доз облучения, вызывающие заметные биологические эффекты. Накопленные данные по воздействию крупных и средних доз облучения на организм человека и животных экстраполируют (распространяют) на область малых доз.

Острое облучение — это кратковременное воздействие ионизирующего излучения на биологический объект с поглощением большой дозы излучения. Хроническое облучение — это длительное воздействие ионизирующего излучения на биологический объект. Как правило, подобное облучения происходит при малых дозах, не превышающих 250 мЗв в год при общем облучении организма человека.

Действие ионизирующего излучения на живую материю отличается от других видов воздействий. Так, тепловая энергия поглощается биологическими молекулами непрерывно и распределяется по их объему относительно равномерно. Энергия же ионизирующего излучения поглощается отдельными порциями в определенных местах биологических молекул.

В результате воздействия ионизирующего излучения на живую материю происходят процессы, в которых можно выделить следующие этапы:

• физический — поглощение энергии и возникновения возбужденных и ионизированных молекул;

• физико-химический — перераспределение поглощенной энергии излучения возбужденными молекулами;

• химический — образование свободных радикалов;

• молекулярно-биологический — изменение в структуре биологических молекул и клеток, которые могут приводить к нарушению выполняемых ими функций.

Каждый из этих процессов происходит через некоторое время после воздействия излучения на организм. Ниже перечислены основные процессы, протекающие в организме при облучении, и время, прошедшее после облучения, когда реализуются эти процессы (время проявления).

1. Поглощение энергии фотонного (рентгеновского, гамма-) и нейтронного излучения — 10-24-10-4 с.

2. Поглощение энергии корпускулярного излучения, представленного по-током заряженных частиц (альфа-, бета-, протонов и других) — 10-15-10-8 с.

3. Перераспределение энергии. Нарушения и ионизация молекул — 10-12-10-8 с.

4. Химические повреждения биологических молекул в результате их ионизации и возбуждения (прямое действие излучения) — 10-7-10-5 с.

5. Образование свободных радикалов (побочное действие излучения) — несколько часов.

6. Изменения структуры молекул белков, нуклеиновых кислот после облучения в процессе обмена веществ (биомолекулярные повреждения) — от нескольких микросекунд до нескольких часов.

7. Проявление ранних биологических эффектов. Это может означать гибель клеток, временные функциональные нарушения, преждевременная гибель отдельных организмов — от нескольких минут до нескольких недель.

8. Проявление отдаленных биологических эффектов. Это может означать стойкое нарушение физиологических функций организма, соматические эффекты (раковые заболевания), генетические мутации, влияющие на потомство — годы, века.

Действие ионизирующего излучения на биологические объекты может быть прямой и косвенной.

Прямое (непосредственное) действие излучения приводит к нарушению и ионизации биологических молекул, появления радикалов. Становятся возможными химические реакции с участием образованных под действием излучения ионов и радикалов. В результате происходит химическое превращение биологических молекул, которое может привести к повреждению клетки.

Косвенное (побочное) действие излучения связана, главным образом, с радиолизом воды — ее химическим превращениям под действием ионизирующего излучения. Тело человека, в основном, состоит из воды. Ее содержание в отдельных видах клеток может достигать 90% клеточной массы. Под влиянием ионизирующего излучения молекула воды способна терять электрон с образованием положительно заряженного иона.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Освобожден электрон, передавая энергию окружающим молекулам воды, переводит их в возбужденное состояние %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. Возбужденные молекулы воды диссоциируют с образованием радикалов %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9:

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Образующиеся свободные радикалы %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 химически активны и могут легко взаимодействовать друг с другом с образованием различных продуктов (молекул воды, водорода и пероксида водорода):

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Свободные радикалы могут взаимодействовать и с другими веществами, присутствующими в водной среде, в том числе и с органическими молекулами. Происходят химические превращения органических молекул в основном обусловлены действием высокоактивных радикалов %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, которые способны разрушать химические связи в биологических молекулах. Если формулу органической молекулы условно представить в виде RН, где Н — реакционноспособен атом водорода, а R — другая часть молекулы, то взаимодействие с радикалами %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 можно описать в следующем виде:

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

 

Органические радикалы %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, так же как и свободные радикалы, образующиеся при радиолизе воды, могут вступать в реакции с другими молекулами, что, в конце концов, и приводит к биологическим нарушениям. Радикалы %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 могут взаимодействовать и с кислородом, поступающих в организм из воздуха в процессе дыхания. При этом образуются перекисные радикалы %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9:

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Перекисные радикалы также могут вызвать биологические нарушения в организме. Таким образом, инициированные излучением химические реакции в водных растворах происходят преимущественно с участием свободных радикалов. Каждый из радикалов вступает в специфические реакции с макромолекулами (биополимерами), в результате чего возникают биологические молекулы с измененными структурными и функциональными характеристиками. Эти молекулы взаимодействуют друг с другом и с окружающими молекулами, что может приводить к биологическим нарушений, вплоть до таких, которые могут стать причиной гибели клеток.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*