Начальные этапы биологической стадии в действии ионизирующих излучений. Прямое и непрямое действие ионизирующего излучения на биомолекулы

Биологическое усиление: нарушения структуры нуклеотидов и их последовательностей в ДНК и РНК приводят к дефициту необходимых для нормальной жизнедеятельности продуктов матричного синтеза, а также к наработке несвойственных клетке, чужих и вредных для нее продуктов. Нарушение структуры белков-ферментов приводит к замедлению или извращению ферментативных реакций, накоплению аномальных метаболитов, которые могут оказаться токсичными для клетки. Повреждения липидов внутриклеточных мембран инициируют нарушения проницаемости этих мембран, и приводят к снижению внутриклеточных градиентов концентраций различных метаболитов, подавлению функций связанных с мембранами ферментов. В результате всей совокупности этих процессов возникают серьезные нарушения жизнедеятельности и даже гибель клетки.

К числу наиболее ранних реакций на облучение относится торможение синтеза ДНК в радиочувствительных тканях: в лимфоидных образованиях, в костном мозге и в слизистой тонкого кишечника. В печени и в других относительно радиорезистентных тканях эти изменения выражены в существенно меньшей степени.

В первые часы после облучения иногда обнаруживаются проявления тканевой гипоксии. Снижение биоэнергетической активности клетки происходит, прежде всего, за счет угнетения процессов окислительного фосфорилирования в митохондриях и ядре.

Наряду с угнетением процессов окислительного фосфорилирования повышается активность АТФ-аз, что также способствует снижению содержания АТФ.

В результате прямого действия в клетке происходит ионизация и возбуждение сложных молекул с последующей их диссоциацией, разрывом химических связей и т.п.

В простых веществах, молекулы которых состоят из атомов одного и того же элемента (газа, металла и т.п.), процессу ионизации сопутствует процесс рекомбинации. Ионизованный атом присоединяет к себе один из свободных электронов, которые всегда имеются в среде, в результате вновь образуется нейтральный атом. То же происходит и с возбужденным атомом, который возвращается в нормальное состояние в процессе перехода электрона с внешних оболочек атома на освободившееся место на ближних к ядру оболочках. При этом происходит испускание одного или нескольких фотонов характеристического излучения.

Таким образом, ионизация и возбуждение атомов простых веществ не приводят к каким-либо изменениям физико-химической природы облучаемой среды.

Иначе обстоит дело при воздействии ИИ на сложные органические вещества, молекулы которых состоят из большого числа различных атомов. В возбужденном состоянии молекула может находиться очень короткое время: 1•10^-14-1•10^-13 с. За это время энергия возбуждения может трансформироваться в колебательную энергию и сконцентрироваться на одной из химических связей, что может привести к развалу молекулы (отрыву от нее какого-либо фрагмента и т.п.).

Результатом ионизации является скачкообразное изменение электромагнитного поля молекулы, в результате чего возможен разрыв 15-20 химических связей.

Непрямое действие связано с радиационно-химическими процессами, обусловленными продуктами радиолиза воды, которая, как известно, составляет 60-70% от общей массы биологической ткани. Образующиеся при этом свободные радикалы и сильные окислители отличаются очень высокой химической активностью. Они вступают в реакции с молекулами ткани, вызывая биохимические сдвиги (подавление активности ферментов, образование токсинов и др.), повреждение клеточных структур, нарушение обменных процессов, замедление и прекращение роста клеток, а в конечном счете - расстройство жизнедеятельности организма в целом. Индуцированные продуктами радиолиза воды химические реакции распространяются на многие сотни и тысячи молекул, первично не затронутых излучением.

Специфика действия ИИ на живой организм состоит именно в том, что производимый ими биологический эффект обусловлен не количеством переданной энергии, а ее последующей трансформацией. Этим во многом объясняется известный радиобиологический парадокс, суть которого заключается в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощения энергии и крайней степенью выраженности реакции биологического объекта вплоть до летального исхода.