Тема: физические основы действия ионизирующих излучений на биологические объекты. прямое и косвенное действие ионизирующих излучений на биологические объекты

Лекция № 3

ИИ получили своё название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе.

Ионизация – это превращение нейтральных атомов или молекул в частицы, которые несут «+» или «–» заряд. Ионизация под влиянием ИИ совершается путем передачи энергии (Е) электронами (е¯) внешних орбиталей в таком количестве, чтобы е¯ были оторваны от молекулы или атома. При этом оставшаяся часть атома или молекулы приобретает «+» заряд и становится положительным ионом.

Если количество Е, передаваемое излучением е¯, обозначить как ∆Е, а Е связи е¯ с атомом или молекулой как Ее¯, то Е освобожденияе¯ будет равна: W = ∆Е – Ее¯

Энергия, которая затрачивается на отрыв е¯ от атома или молекулы (Ее¯) называется потенциалом ионизации. Для ионизации большинства элементов, входящих в состав биосубстрата необходим потенциал ионизации 10-12 эВ.

ЭВ (электронвольт) – внесистемная единица измерения излучения: 1 эВ = 1,6·10¹² эрг; 1 эВ 1,6·10^-19 Дж (СИ).

К_эВ = 10³ эВ

М_эВ = 10⁶ эВ.

Отрыв одного е¯от нейтрального атома характеризуется 1-м потенциалом ионизации, отрыв другого е¯ описывается 2-м потенциалом ионизации и т.д. Очередной потенциал ионизации с переходом к электронам более глубокой (внутренней) электронной оболочки резко возрастает.

е¯, оторванный от атома, при столкновении с другими молекулами или атомами ионизирует их, пока не исчерпает свою критическую Е и не присоединится к нейтральной молекуле с образованием «–» иона.

В том случае, если передаваемая атому или молекуле Е кванта излучения меньше потенциала ионизации облучаемого вещества, происходит их возбуждение.

Возбужденным называют такое состояние атомов или молекул, когда они имеют Е больше, чем в основном состоянии. Повышение Е в системе атомов или молекул осуществляется путем электронных переходов из основного состояния в возбужденное. Это происходит при перескоке е¯с ближней к ядру атома орбитали на более далекую (внешнюю), происходит возбуждение. При этом Е затрачивается.

Поскольку возбужденные атомы или молекулы на внешних орбиталях имеют неспаренные е¯,они характеризуются повышенной реакционной способностью. Состояние атомов и молекул, для которого характерно наличие на орбиталях электронов с неспаренными спинами, называют свободнорадикальным. Это состояние не стабильное. Поэтому из состояния возбуждения молекула может вернуться в основное состояние (перескок е¯на ближнюю орбиталь, при этом Е выделяется) несколькими способами:

· превращением Е электронного возбуждения в тепловую (тепловая конверсия);

· излучением кванта Е (флуоресценция);

· передачей Е возбуждения другим молекулам;

· превращением возбужденной молекулы в молекулу или молекулы других веществ (фотохимическая реакция).

Таким образом, в результате поглощения ионизирующего излучения в веществе образуются свободные е¯, «+» заряженные ионизированные частицы, а также молекулы и атомы в возбужденном состоянии, превращение которых сопровождаются выделением тепла, фотонов флуоресценции и фотохимическими реакциями.

Следовательно, возбуждение и ионизация – основные процессы, в которых расходуется Е излучений, поглощенная в облучаемом объекте.

Какова же дальнейшая судьба этих возбужденных и ионизированных атомов и молекул?

В основе первичных радиационно-химических изменений молекул лежат 2 основных механизма: прямое и косвенное действие ИИ.

Под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими исследуемыми молекулами (мишенями).

Под косвенным действием понимают изменения молекул в растворе, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды или растворенных веществ, а не энергией излучения, поглощенной самими исследуемыми молекулами.

Живая материя состоит на 70-90% из воды. Под воздействием ионизирующих излучений в воде без примесей идут процессы ионизации с образованием быстрых свободных электронов, обладающих избытком энергии, и положительно заряженных молекул воды – процесс радиолиза воды.

При радиолизе воды молекула ионизируется заряженной частицей, теряя электрон:

Н₂О Н₂О⁺ + е^-

«Вырванный» электрон очень быстро взаимодействует с окружающими молекулами воды; возникает сильно возбужденная молекула Н₂О*, которая, в свою очередь, диссоциирует с образованием двух радикалов: Н⁰ и ОН⁰

Н₂О + е^- Н₂О* Н⁰+ОН⁰

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в итоге образуется высокорадиоактивный радикал гидроксила ОН^°

Н₂О⁺+Н₂О Н₃О⁺+ОН°

Свободные радикалы – это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбитале. Свободные радикалы обычно весьма реакционноспособны, так как обладают возможностью связывать неспаренный электрон с аналогичным электроном в другом радикале или вообще удалять электрон из атома. Другими словами, свободные радикалы могут быть акцепторами (окислителями) или донорами (восстановителями) электронов. Время их жизни в воде не более 10^-5 с. За этот период они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом.

Образовавшийся электрон (е^-) постепенно теряет в воде энергию в результате разных процессов до тех пор, пока его не захватит другая молекула, которая превратится в отрицательно заряженную молекулу воды:

е^- + Н₂О Н₂О^-

Этот процесс относительно медленный. Кроме того, электрон может стать гидратированным, т.е. окруженным молекулами воды (как, например, магнитик в железных опилках), так что несколько молекул воды превратятся в диполи и будут ориентированы по направлению к электрону, имеющему отрицательный заряд. Гидратированный электрон е^-×аq при комнатной температуре достаточно стабилен, но способен к реакции с различными молекулами в растворах. Такие реакции более вероятны при более высоких концентрациях раствора. Поскольку концентрация веществ внутри клетки бывает достаточно высокой, появление в них таких гидратированных электронов имеет для клеток большое значение.

В присутствии кислорода образуются и другие продукты радиолиза, обладающие окислительными свойствами, гидропероксидный радикал НО₂, пероксид водорода Н₂О₂ и атомарный кислород 2О.

Н⁰ + О₂ НО⁰₂

НО⁰₂ + НО⁰₂ Н₂О₂ + 2О

Таким образом, О₂ принимает участие в образовании биологически активных свободных радикалов, а также органических и неорганических пероксидов.

Ни Н₂О^-, ни Н₂О⁺ не являются стабильными молекулами и каждая из них распадается, образуя ион и свободный радикал:

Н₂0⁺ ® Н⁺ + ОН°, Н₂0^- ® Н° + ОН^-

При каждых 1000 эВ_энергии, поглощаемых чистой водой, образуются следующие продукты: 26 гидратированных электронов (е^-×аq),26 гидроксильных радикалов (OH^°), 4 радикала водорода (Н°) и небольшое количество Н₂ и Н₂О.Наиболее реакционноспособны е^-× аq , ОН°, Н°, имеющие продолжительности жизни около нескольких миллисекунд. Они могут также вступать в реакцию друг с другом или димеризоваться (образовывать пары):

Н°+Н° ® Н₂, ОН°+ОН° ® Н₂О₂, Н° + ОН° ® Н₂0

или вступать в реакцию с другими молекулами воды, например,

,

а также реагировать с продуктами предыдущих реакции, в которых участвовали радикалы:

; Н₂О^· - гидроперекисный радикал

Химические свойства продуктов рассмотренных химических реакций идентичны химическим свойствам свободных радикалов, т.е. они способны вырывать атом водорода из органических молекул типа RH. Буквой R обозначают всю молекулу, за исключением одного атома водорода, чтобы не расписывать подробно все элементы: тем более, что в данном случае нас интересует связь одного, в общем-то, любого атома водорода, хотя остаток молекулы R может содержать также много атомов водорода:

RH + OH° R°+H₂О

RH + H° R° + H₂

Такие реакции ведут к появлению новых радикалов. Независимо от своего происхождения свободные радикалы R° могут вступать в реакцию с биологическими молекулами и приводить впоследствии к радиобиологическому поражению клеточных структур.

Анион радикал и гидроперекисный радикал способы окислять молекулы органических веществ. Если в веществе присутствуют липиды, то увеличивается ПОЛ

R + НО₂^° ®RООН гидропероксид