Химические биологические изменения, вызванные ионизирующим излучением

До сих пор рассматривали физический процесс взаимодействия фотонов и ионизирующих частиц с веществом. Эти процессы происходят как в живой, так и в неживой материи и протекают за очень короткий промежуток времени — 10^-24 — 10^-14 с (табл. 1.3).

Таблица 1.3. Последовательность процессов, ведущих к радиационному повреждению

Далее будет проанализировано следующее звено в цепи процессов, которые могут привести к биологическому эффекту. Здесь необходимо отвлечься от приведенной выше физической системы, в которой вещество рассматривается как огромное число атомов, и подойти к биологическому аспекту, т. е. рассматривать материю как совокупность молекул разной величины, каждая из которых состоит из атомов. Предполагают, что взаимодействие излучения с этими молекулами по природе такое же, как и взаимодействие с отдельными атомами.

В качестве единицы будет рассмотрена биологическая молекула. В табл. 1.3 суммирована цепь процессов, происходящих при поглощении излучения живой материей, и приведено приблизительное время, необходимое для прохождения этих событий. До сих пор речь шла только о начальных взаимодействиях (табл. 1.3). В этом разделе речь будет идти о физико-химической стадии. Действие ионизирующих излучений на биологические молекулы будет рассмотрено в гл. 2. Ранние же и отдаленные биологические эффекты — предмет всего последующего изложения.

Уже известно довольно много о физическом поглощении энергии (стадия 1 и 2) и о биологических эффектах, наблюдаемых при этой абсорбции (стадии 5 и 6). Меньше известно о химических и биомолекулярных процессах и еще меньше — о взаимосвязи стадий 2—4 со стадиями 5 и 6. Не представляется возможным полностью описать последовательность процессов, связывающих физическое поглощение энергии с конечными биологическими эффектами. Тем не менее необходимо рассмотреть некоторые процессы, происходящие на стадии 3 и связанные со свободными радикалами и возбужденными молекулами.

Свободные радикалы — это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбите. Понятие "неспаренный электрон" можно объяснить на основании модели атома Бора, имеющего K-, L-, М-, N- и т. д. оболочки, насыщенность электронами которых ограничивается принципом запрета Паули. Квантовое состояние электрона определяется некоторыми параметрами, один из которых — спин.

В стабильных атомах и молекулах орбитальные электроны существуют парами, имея противоположные направления спина. Свободные радикалы обычно являются весьма реакционноспособными, поскольку они имеют сильную тенденцию спаривать неспаренный электрон с аналогичным электроном в другом свободном радикале или вообще удалять электрон из атома путем электронного излучения. Таким образом, свободные радикалы могут быть акцепторами (окислителями) или донорами электронов (восстановителями).

Ионизирующее излучение вызывает возбуждение и ионизацию случайным образом, поэтому в такой сложной среде, как живая материя, молекулы, являющиеся наиболее распространенными, больше других подвергаются ионизации. При облучении живой материи, на 70 — 90% состоящей из воды, большая часть энергии будет поглощаться молекулами воды, и для понимания биологических эффектов излучения особую важность представляет радиационная химия воды. При облучении воды без примесей происходит ионизация с образованием быстрых свободных электронов и положительно заряженных молекул воды:

Этот электрон (е^-) будет проходить через воду, теряя энергию в результате разных процессов, до тех пор, пока его не захватит другая молекула, которая превратится в отрицательно заряженную молекулу воды:

Этот процесс — относительно медленный, и электрон может стать гидратированным, т. е. окруженным молекулами воды, так что несколько молекул воды будут ориентированы по направлению к электрону, имеющему отрицательный заряд. В этой системе гидратированный электрон (е^-_aq ) при комнатной температуре достаточно стабильный, чтобы дать широкий спектр поглощения с максимумом 720 нм. Не связанные с водой электроны способны к реакции с различными молекулами в растворе.

Такие реакции более вероятны при высоких концентрациях раствора (> 0,01 — 1,0 М), чем при низких, где гидратация электрона — очень быстрый процесс, завершающийся за 10^-11 с. Концентрация веществ внутри клетки может быть достаточно высокой, поэтому появление в них не связанных с водой электронов может иметь большое значение.

Ни Н₂0^-, ни Н₂0⁺ не являются устойчивыми молекулами, и каждая из них диссоциирует, образуя ион и свободный радикал:

где точкой обозначен неспаренный электрон свободного радикала.

При каждых 100 эВ потери энергии (ЛПЭ), поглощаемой чистой водой, образуются следующие продукты: 2,6 гидратированных электронов (е^-_aq); 2,6 гидроксильных радикалов (ОН*); 0,4 атома водорода (Н*) и небольшое количество Н₂ и Н₂0₂. Первые из перечисленных продуктов радиолиза, являясь радикалами, весьма реакционноспособны и имеют продолжительность жизни около нескольких сотен микросекунд при условии отсутствия других реагентов или ловушек. Спектры поглощения е^-_aq и ОН* известны.

Три упоминавшийся выше продукта радиолиза могут вступать в реакции друг с другом или димеризоваться. Ниже приведены три таких взаимодействия радикал—радикал

Радикалы могут вступать в реакцию с другими молекулами воды, например,

или же могут реагировать с продуктами предыдущих реакций, в которых участвовали радикалы, например,

Сейчас уже измерены реакционная способность и константы скорости реакций этих продуктов с молекулами различных веществ в основном при помощи метода импульсного радиолиза. Их химические свойства идентичны химическим свойствам свободных радикалов, и они, таким образом, способны вырывать атом водорода из органических молекул RH:

Эти реакции приводят к образованию новых радикалов. Как первичные, так и вторичные свободные радикалы R* могут вступать в реакцию с биологическими молекулами и приводить к радиобиологическому поражению. Эти реакции — основа "косвенного действия" излучения. При косвенном действии гидратированные свободные радикалы выступают в качестве посредников в переносе энергии излучения биологическим молекулам. Вместе с тем прямое действие излучения основывается на прямом взаимодействии между ионизирующим излучением и критическими молекулами, которые непосредственно превращаются в свободные радикалы следующим образом:

На рис. 1.11 показано различие между прямым и косвенным действием ионизирующего излучения.

Рис. 1.11. Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения

С биологической точки зрения неважно, происходит ли повреждение критических молекул прямым или косвенным образом. Тем не менее к более значительным поражениям приводит, видимо, косвенное действие, поскольку клетки и ткани состоят приблизительно на 70—90% из воды. Использованный на рис. 1.11 термин "мишень" будет более подробно обсуждаться в гл. 3.

Свободные радикалы могут реагировать с молекулами кислорода, и эти реакции имеют большое значение в радиобиологии, поскольку они могут привести к образованию перекисных радикалов водорода, а также важнейших биологических молекул, некоторые из них при этом повреждаются. Повышенная эффективность излучения в присутствии кислороде известна как "кислородный эффект".

Это связано с увеличением выхода свободных радикалов, образующихся в присутствии кислорода. Реакция кислорода с гидратированными свободными радикалами (например, Н и е^-_aq) приводит к образованию относительно устойчивых гидроперекисных радикалов Н0₂ и перекиси водорода

Альтернативно, если биологическая молекула становится свободным радикалом прямым или косвенным образом, она может взаимодействовать с кислородом следующим образом:

Можно видеть, что при большом количестве RH можно получись цепную реакцию:

Эти реакции равноценны с точки зрения нанесения биологического повреждения. Они происходят в 30 раз быстрее, чем конкурирующие реакции, например R* + цистеин или другой донор водорода, где образуется RH, т. е. происходит восстановление.

Важная роль кислорода в радиобиологии будет рассмотрена более подробно в гл. 8. Нет необходимости далее обсуждать сложные взаимодействия гидратированных и других свободных радикалов, которые являются основой радиационной химии. Одни из этих взаимодействий приводят к образованию биологически повреждающих продуктов, другие — к образованию биологически опасных продуктов, третьи — к цепным реакциям.

Многие из этих реакций активируются в присутствии кислорода. Например, существуют прямые доказательства того, что радикал ОН* участвует в процессах образования однонитевых разрывов ДНК, хромосомных аберраций, гибели клеток бактерий и млекопитающих.

Биологические изменения, вызванные облучением. Уже говорилось о том, что для воздействия на материю, живую или неживую, ионизирующее излучение должно вступать с ней во взаимодействие, вызвав возбуждение или ионизацию атомов. Если излучение, пройдя сквозь клетку, не передаст ей часть своей энергии, никаких повреждений не произойдет.

Выделение энергии определенного излучения (электронов, фотонов, нейтронов, α-частиц и т. д.) происходит преимущественно путем прямого образования ионных пар. Ионизация, производимая рентгеновским, γ-излучением и нейтронами, — косвенная, поскольку в реакции участвуют вторичные электроны (фотоэлектроны и электроны отдачи) или протоны отдачи, которые, в свою очередь, ионизируют материю по мере рассеяния энергии.

Ионизация редко проходит как одностадийный процесс, чаще отмечаются двойные или тройные события, которые называют "кластерами" или "шпурами". Именно эти ионизирующие процессы и являются основной причиной биологического эффекта в живой материи. Роль, которую играет возбуждение в биологическом разрушении, изучена еще недостаточно.

Повышенную эффективность действия ионизирующих излучений в присутствии кислорода можно объяснить тем, что кислород активен на уровне начальных химических повреждений. Существует несколько гипотез, пытающихся объяснить этот эффект. Одна из них предполагает, что кислород действует прямо на облученную молекулу "мишени" и предотвращает возможность любых восстановительных процессов. Наиболее распространенная гипотеза состоит в том, что кислород индуцирует появление более разрушительных свободных радикалов, которые и вызывают кислородный эффект.

Прямое и косвенное действие излучения на биологические молекулы приводит к тому, что в живом организме отмечается много разных биологических эффектов, наблюдаемых после облучения. Диапазон и сложность биологических эффектов рассмотрены в гл. 2 и 12, а в табл. 1.4 приведены типы радиобиологических повреждений.

Таблица 1. 4. Некоторые виды радиобиологических повреждений у млекопитающих

Количество и качество биологических повреждений зависят от дозы и мощности дозы облучения, а также от распределения дозы излучения в тканях.