Физико-химическая стадия формирования лучевых поражений. Радиолиз воды. Кислородный эффект.

Физико-химическая стадия развивается в результате взаимодействия образовавшихся ионов и свободных электронов между собой и с окружающими атомами и молекулами. Завершается эта стадия образованием новых ионов, сольватированных (гидратированных) электронов, возбужденных молекул, химически активных свободных радикалов. Эта цепь радиационно-химических превращений, приводящая в итоге к образованию свободных радикалов, получила название радиолиз.

Свободные радикалы представляют собой электрически нейтральные атомы и молекулы с неспаренным электроном на внешней орбитали. Неспаренные электроны свободных радикалов реакционно способны, т. к. должны спариться с электроном другого радикала или удалиться из атома. Свободные радикалы, отдающие электроны, выступают в роли восстановителя и, принимающие электроны, в роли окислителя.

В основе первичных радиационно-химических изменений на данной стадии могут лежать 2 механизма действия ионизирующих излучений:

1. прямое действие - когда молекула претерпевает изменения непосредственно при взаимодействии с ионизирующим излучением;

2. косвенное действие - когда молекула непосредственно не поглощает энергию от ионизирующих излучений, а получает её от других молекул.

Радиочувствительность молекул характеризуется степенью выраженности их радиолиза, оцениваемой по радиационно-химическому выходу (G), соответствующему числу изменившихся или вновь образовавшихся молекул на 100 эВ поглощенной энергии излучения, что близко к величине их концентрации в микромолях (мкМ) при облучении в дозе 10 Гр.

Радиолиз воды. Значительная часть энергии ионизирующих излучений поглощается молекулами воды и запускает каскад процессов, которые получили название радиолизводы. Продукты радиолиза воды и опосредуют повреждающее действие ионизирующего излучения на биологически значимые молекулы.

Если под действием ионизирующего излучения из молекулы воды выбивается электрон, образуется положительно заряженная молекула воды.

Если энергии недостаточно для ионизации, образуется возбужденная молекула воды.

Электрон, освободившийся при ионизации воды, может быть захвачен с образованием отрицательной молекулы воды или окружить себя четырьмя молекулами воды с образованием гидратированного электрона.

Перечисленные первичные продукты взаимодействия ионизирующего излучения с водой нестабильны и гидролизуются с образованием ионов и свободных радикалов.

Образовавшиеся из воды радикалы и электроны могут вступать во взаимодействие между собой и с другими молекулами воды с образованием перекиси водорода, молекулярного водорода и новых радикалов. При взаимодействии радикалов с молекулами растворенного кислорода образуются перекисные радикалы, с молекулами органических веществ - органические радикалы, с хинонами и убихинонами - радиотоксины.

Эндогенный оксид азота, основной локальный регулятор тонуса артериальных сосудов, сам является радикалом и активно взаимодействует с супероксиданион-радикалом с образованием пероксинитританиона.

Кислородный эффект. В присутствии кислорода возникают дополнительные радикалы, которые усиливают повреждающее действие ионизирующего излучения и делают повреждения трудно доступными для репарации. Это явление получило в радиобиологии название кислородный эффект (КЭ). Сущность кислородного эффекта заключается в усилении радиационного повреждения биологических макромолекул в присутствии кислорода и ионов с переходной валентностью (Ре⁺², Сu⁺, Zn²⁺). В результате первичного радиолиза воды образуется равное количество положительно и отрицательно заряженных ионов, которые выступают в роли окислителей или восстановителей соответственно. Равновесие между окислителями и восстановителями резко изменяется в присутствии кислорода. Восстановительные радикалы е и Н^● после взаимодействия с кислородом образуют окислители О₂^-● и НО₂^● . В результате последующих физико-химических реакций образуются другие активные формы кислорода: атомарный кислород и синглетный кислород (долгоживущая возбужденная форма кислорода). В присутствии кислорода в ДНК образуются пероксиды азотистых оснований, происходит разрыв N-гликозидной связи пуриновых оснований, разрыв пуринового и пиримидинового кольца, в целом увеличивается число повреждений оснований ДНК в 3 раза. Образование пероксидных радикалов дезоксирибозы ведет к разрыву углеводнофосфатной цепочки.