Характеристика процесу іонізації та збудження

Перший етап біологічної дії іонізуючих випромінювань представляє фізичний процес взаємодії випромінювання з речовиною. Всі іонізуючі випромінювання безпосередньо чи опосередковано викликають збудження або іонізацію атомів біосистем. Внаслідок цього в тканинах з’являються збуджені та іонізовані атоми і молекули, які володіють високою хімічною активністю. Вони вступають в взаємодію один з іншим і з оточуючими атомами, при цьому виникає велика кількість високоактивних вільних радикалів та перекисів.

Поглинання енергії іонізуючих променів і первинні радіаційно-хімічні реакції відбуваються практично миттєво – за мільйонні долі секунди.

Як же відбуваються ці процеси?

Іонізація – це відрив від вільного чи зв’язаного атома організму електрона (для цього в середньому потрібно 34 еВ). Таким чином утворюються 2 іони: негативний (електрон) і позитивний (ядро атома з останніми електронами). Молекули, в атомі котрих відщеплено хоча один електрон, також будуть мати (+) заряд. Один квант чи частка, з енергією десятки МеВ, іонізують безліч атомів. Якщо ж переданої атому енергії недостатньо, щоб відірвати електрон, то він, отримавши надлишкову енергію, переміститься далі від ядра і такий атом (а також і молекула, яка його містить) стануть збудженими. Це триває недовго (тисячна частка секунди). Електрон повертається на свою орбіту і при цьому виділяє енергію в вигляді кванту різної величини. Якщо молекулі передана велика енергія, то вона може розірватися на фрагменти, утворюючи 2 радикали з ненасиченими зв’язками (цей процес називається радіолізом).

Радіоліз води

При радіолізі води молекула іонізується зарядженою часткою, втрачаючи при цьому електрон:

® Н2О ® Н2О+ + e

Іонізована молекула води реагує з іншою нейтральною молекулою води, в результаті утворюється високореактивний радикал гідроксилу ОН*:

Н2О+ + Н2О ® Н3О+ + ОН*

"Вирваний" електрон дуже швидко взаємодіє з оточуючими молекулами води, виникає сильно збуджена молекула Н2О*, яка в свою чергу, дисоціює з утворенням двох радикалів Н* и ОН*:

Н2О+ + e ® Н2О* ® Н* і ОН*

Ці вільні радикали містять неспарені електрони і тому відрізняються надзвичайно високою реакційною здатністю. Час їх життя в воді не більш 10-5с. За цей період вони або рекомбінують один з одним, або реагують з розчиненим субстратом. Отже, і другий етап радіаційного ушкодження (первинні хімічні зміни) протікає практично миттєво.

В присутності кисню утворюються інші продукти радіолізу, які володіють окислювальними властивостями - гідропероксидний радикал НО2*, пероксид водню Н2О2 та атомарний кисень:

Н* + О2 ® НО2*

НО2* + НО2* ® Н2О2 + 2О

В клітинах організму цей процес протікає значно складніше, ніж при опроміненні води, поглинаючою речовиною тут служать великі органічні молекули, які ушкоджуються прямою дією радіації або продуктами радіолізу води. Виникаючі при цьому органічні радикали також мають неспарені електрони, а тому, вкрай реакційноздібні. Маючи велику енергію, вони легко розривають хімічні зв’язки в життєво важливих макромолекулах. Саме цей процес і відбувається частіше всього в проміжках між утворенням іонних пар і формуванням кінцевих хімічних продуктів.

Другий етап біологічної дії – це радіаційно-хімічний процес, який приводить до зміни розташування і структури молекул і, як наслідок, до порушення біохімії клітин. Морфологічні і функціональні зміни клітин проявляються вже в перші хвилини і години після опромінення. Утворення невластивих організму продуктів приводить до його інтоксикації. При великих дозах опромінення маса іонів може привести до загибелі «під променем». Ураховуючи, що організм людини складається з 50-60% води, така ж кількість енергії іонізуючого випромінювання буде витрачатись на її іонізацію. Другі молекули поглинають кількість енергії відповідно їх кількості в організмі. Слід пам’ятати, що 75% води це не тільки розчин, а сольватна і гідратна оболонка багатоатомних з’єднань, котрі також змінюють свої властивості. Складні молекули можуть розірватися не тільки в місці попадання променю.