При облучении тканей энергия излучения поглощается и взаимодействует с веществом. В результате в веществе происходят биохимические, физико-химические, биофизические процессы, которые приводят к морфологическим и функциональным изменениям. Начальный этап - поглощение энергии излучения, взаимодействие с клетками, т. е. ионизация, возбуждение атомов - происходит очень быстро. Развитие следующих этапов - морфологические, функциональные изменения - может протекать в течение разного времени (от нескольких минут до нескольких лет).
В результате ионизации атома или молекулы возникают два иона, с положительным и отрицательным зарядом. При этом они химически активны, вступают в реакции с другими молекулами, приводят молекулы в возбужденное состояние, которое сопровождается разрывом прежних молекулярных связей. Запускается процесс, при котором продукты расщепления молекул, будучи также химически активными, вступают в химические реакции с нейтральными молекулами. Ионизация молекул воды приводит к образованию сильнейших окислителей - Н+, ОН, Н2О2, Н2 Эти продукты ионизации и расщепления воды окисляют растворенные в ней вещества.
Физические процессы - ионизация и возбуждение атомов и молекул - приводят к химической перестройке облученных молекул. Различают прямое и непрямое действие излучения.
Прямое действие - это изменения, возникающие в молекулах клеток в результате ионизации или возбуждения.
Непрямое действие излучения - это поражение структур клетки продуктами радиолиза воды, возникшего под влиянием облучения. При прямом действии облучения на молекулу ДНК или под влиянием радикалов происходят однонитевые или двунитевые разрывы, то есть нарушается непрерывность нити ДНК.
На клеточном уровне под влиянием облучения выявляются замедление клеточного деления, образование хроматидных и хромосомных аберраций, возникновение микроядер. Гибель клетки может происходить по апоптотическому и некротическому путям. Большая часть клеток погибает до вступления клеток в митоз. Апоптотическая гибель клеток характерна для лимфоцитов, причем на фоне небольших доз облучения.