2.1. Радиационно-химические механизмы действия ионизирующих излучений
В развитии поражения после воздействия ионизирующих излучений выделяют несколько стадий: физическую, физико-химическую, химическую и биологическую (табл. 6). Первые три из них оцениваются как первичные или добиологические. Они в значительной степени являются общими как для живых организмов, так и для химических соединений, их растворов, смесей.
Таблица 6. Основные стадии в действии ионизирующих излучений на биологические системы
| Стадия | Процесс | Продолжительность, с |
| Физическая | Поглощение энергии излучения; образование ионизированных и возбужденных атомов и молекул | 10–16–10–15 |
| Физико-химическая | Перераспределение поглощенной энергии внутри молекул и между ними, образование свободных радикалов | 10–14–10–11 |
| Химическая | Реакции между свободными радикалами и между ними и интактными молекулами. Образование широкого спектра молекул с измененными структурой и функциональными свойствами. | 10–6–10–3 |
| Биологическая | Последовательное развитие поражения на всех уровнях биологической организации: от субклеточного до организменного; развитие процессов биологического усиления и репарационных процессов | Секунды – годы |
На физической стадии образуются возбужденные и ионизированные атомы и молекулы, случайным образом распределенные в веществе, поскольку вероятность поглощения энергии тем или иным атомом, из которых построены биологические молекулы, практически одинакова. Количество энергии, поглощенной молекулами каждого типа, примерно пропорционально их относительной массе. Соответственно, в живых клетках органическими и неорганическими (кроме воды) молекулами поглощается около 25 % энергии, а водой ≈ 75 %.
На физико-химической стадии поглощенная энергия мигрирует по макромолекулярным структурам и распределяется между отдельными биомолекулами, что сопровождается разрывами химических связей там, где эти связи менее прочны. Поэтому, хотя на физической стадии поглощение энергии различными молекулярными структурами было не избирательным, по окончании физико-химической стадии разрывы связей обнаруживаются преимущественно в определенных структурах. В белковых молекулах – это аминокислоты, содержащие спаренные арильные радикалы (например триптофан), а также тиоловые и дисульфидные группировки; в нуклеиновых кислотах — это азотистые (в первую очередь, пиримидиновые) основания.
На следующем этапе разрывы химических связей приводят к образованию свободных радикалов, отличающихся очень высокой химической активностью. В связи с тем, что в живых системах около 75 % энергии излучения поглощается водой, на физико-химической стадии образуются многочисленные продукты радиолиза воды:
Н2О + hν → Н2О˙ → Н· + НО· Н2О + hν → Н2О+ + е– Н2О + е– → е–гидр → Н· + НО–
Н2О + е– → Н2О+ → Н· + ОН·
Н2О → Н+ + ОН· е– + Н+ → Н·
Н2О+ + ОН– → Н2О + ОН·
Н2О+ + Н2О → Н3О+ + ОН·
Н3О+ + е– → Н2О + Н·.
В частности, при ионизации воды образуются ион Н2О+ и электрон (e–), который после замедления при прохождении через вещество либо рекомбинирует с образованием воды (e– + Н2О+ → Н2О), либо образует отрицательно заряженный ион Н2О– (Н2О + e– → Н2О–). Ионы Н2О+ и Н2О– неустойчивы и разлагаются, образуя стабильные ионы Н+ и ОН–, которые могут рекомбинировать с образованием молекул воды, и свободные радикалы Н· и ОН· (Н2О+ → Н+ + ОН· или Н2О– → ОН– + Н·).
Среди основных продуктов радиолиза воды должен быть назван и гидратированный электрон (e–гидр.). Электрон, теряющий в конце пробега свою кинетическую энергию, как бы захватывается расположенными рядом молекулами воды, которые соответствующим образом ориентируются вокруг него. Эта структура и получила наименование «гидратированный электрон».
Гидроксильный радикал ОН·, образующийся в процессе радиолиза воды, выступает как очень сильный окислитель. Радикал водорода Н· и гидратированный электрон обладают высокой реакционной способностью как восстановители.
Во время химической стадии образовавшиеся ранее высокоактивные свободные радикалы вступают в реакции между собой и с интактными молекулами, в результате чего возникают разнообразные повреждения молекул. Если повреждение биомолекул происходит в результате непосредственного поглощения ими энергии излучения, принято говорить о прямом действии радиации. Если же биомолекулы повреждаются в результате их химического взаимодействия с продуктами радиолиза воды, говорят о непрямом действии радиации.