15. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды, кислородный эффект.

Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды.

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

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

1) прямое действие - когда молекула претерпевает изменения непосредственно при взаимодействии с ионизирующим излучением;

2) косвенное действие - когда молекула непосредственно не поглощает энергию от ионизирующих излучений, а получает её от других молекул.

Радиолиз воды. Так как 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 продуктов радиолиза 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: H₂O + hv → H₂O⁺ + e

Если энергии недостаточно для ионизации, образуется возбужденная молекула воды (Н₂0 + hν → Н₂0*).

Электрон, освободившийся при ионизации воды, может быть захвачен с образованием отрицательной молекулы воды (е^– + Н₂О = Н₂О^– ) или окружить себя четырьмя молекулами воды с образованием гидратированного электрона (е^–_aq).

Перечисленные первичные продукты взаимодействия ионизирующего излучения с водой нестабильны и гидролизуются с образованием ионов и свободных радикалов:

Н₂О⁺ → ОН^● + Н⁺

Н₂О^* → Н^● + ОН^●

Н₂О^– → Н^● + ОН^–

Образовавшиеся из воды радикалы и электроны могут вступать во взаимодействие между собой и с другими молекулами воды с образованием перекиси водорода, молекулярного водорода и новых радикалов. При взаимодействии радикалов с молекулами растворенного кислорода образуются перекисные радикалы, с молекулами органических веществ - органические радикалы. Продукты взаимодействия радикалов с хинонами и убихинонами получили название радиотоксинов.

ОН^● + ОН^● → Н₂О₂ (пероксид водорода).

Н^● + О₂ → НО₂ (гидропероксидный радикал).

О₂ + е^–_aq → О₂^{ ●} (супероксиданион-радикал).

RН + ОН^● → Н₂0 + R^● (органический радикал).

RН + Н^● → Н₂ + R^● (органический радикал).

RNH₂ +Н^● → N₂ + R^● (при наличии аминогруппы происходит дезаминирование и образование органического радикала).

Эндогенный оксид азота (NO^●), основной локальный регулятор тонуса артериальных сосудов, сам является радикалом и активно взаимодействует с супероксиданион-радикалом с образованием пероксинитританиона:

О₂^{ ●} + NO^● → ONOO^●

Пероксинитританион является токсичным веществом, при распаде образует высокореактивные продукты - гидроксильный радикал ОН^●, диоксид азота NO₂^●, нитроний ион NO²⁺.

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

RH + H^● → R^● + H₂

RH + OH^● → R^● + H₂0

Из числа возникших при радиолизе воды радикалов к окислителям относятся гидроксильный, гидропероксидный и супероксиданион-радикалы, пероксид водорода. Гидроксильный радикал (ОН^●) является самым сильным окислителем, образующимся при радиолизе воды, пероксид водорода - слабый окислитель. К сильным восстановителям относятся водородный радикал и гидратированный электрон.

В присутствии кислорода возникают дополнительные радикалы, которые усиливают повреждающее действие ИИ и делают повреждения трудно доступными для репарации. Это явление получило в радиобиологии название кислородный эффект (КЭ). Сущность кислородного эффекта заключается в усилении радиационного повреждения биологических макромолекул в присутствии кислорода и ионов с переходной валентностью (Ре⁺², Сu⁺, Zn²⁺). В результате первичного радиолиза воды образуется равное количество положительно и отрицательно заряженных ионов, которые выступают в роли окислителей или восстановителей, соответственно. Равновесие между окислителями и восстановителями резко изменяется в присутствии кислорода. Восстановительные радикалы е и Н^● после взаимодействия с кислородом образуют окислители: О₂^● и НО₂^●. В результате последующих физико-химических реакций образуются другие активные формы кислорода: атомарный кислород и синглетный кислород (долгоживущая возбужденная форма кислорода). В присутствии кислорода в ДНК образуются пероксиды азотистых оснований, происходит разрыв N-гликозидной связи пуриновых оснований, разрыв пуринового и пиримидинового кольца, в целом увеличивается число повреждений оснований ДНК в 3 раза. Образование пероксидных радикалов дезоксирибозы ведет к разрыву углеводнофосфатной цепочки. Под действием кислорода число однонитевых и двойных разрывов ДНК может увеличиться в 2-2,5 раза.

В практической медицине кислородный эффект учитывается при разработке радиопротекторов и способов повышения радиорезистентности организма. При лучевой терапии онкологических больных нашли применение гипоксические смеси, обедненные кислородом, что позволяет снизить поражение кожи и других тканей в области проекции опухоли.