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 мають більш високу хімічну активність. Вони вступають у 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 (табл. 2.5).

Іонізація – це відрив електрона від вільного чи зв’язаного в молекулі атома (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, будуть мати позитивний 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).

Табл. 2.5. Послідовність процесів, які призводять до радіаційного ушкодження

*- рентгенівське і γ-випромінювання, нейтрони
**- електрони, протони, α-частки

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 етапбіологічної 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 на 50-60% з води, така ж кількість енергії іонізуючого випромінювання буде витрачатись на її іонізацію. Інші молекули поглинають кількість енергії відповідно їх кількості в організмі. Слід пам’ятати, що 75% води це не просто розчинник, а сольватна і гідратна оболонка багатоатомних з’єднань, котрі також змінюють свої властивості. Складні молекули можуть розірватися не тільки в місці попадання променю. Енергія може мігрувати вздовж молекули і викликати розрив в місці слабкого зв’язку. Розщеплена багатоатомна молекула втрачає свої властивості, а утворенні радикали можуть приєднатися до інших інтактних молекул і привести до їх розщеплення з утворенням наступних двох радикалів, здатних взаємодіяти з іншими молекулами. Це є ланцюгова самоприскорювальна реакція.  Чим більше молекул, тим більш вірогідність, що вони будуть іонізовані, збуджені або розщеплені. У зв’язку з тим, що не всі молекули організму функціонально рівноцінні, то пошкодження різних молекул буде мати і різні наслідки. Найбільш важливі білки (нуклеопротеіди), які регулюють процеси поділу клітин, обміну речовин і котрі є структурною часткою гена. Його пошкодження може привести до втрати здатності клітини ділитися і подальшої загибелі.

Табл. 2.6. Залежність кількості мітозів від дози іонізуючого випромінювання

Може розірватися зв’язок однієї чи двох ниток ДНК, особливо при дії щільно іонізуючих випромінювань (α-променів, протонів), зменшується її синтез. Може відбуватися розпад, деполімерізація і порушення генетичного коду ДНК. Зміни в хромосомному апараті  клітини відображаються на її спадкових властивостях і приводять до радіаційних мутацій (точкові мутації, розриви хромосом і хромосомні аберації т.і.). Порушення мікроструктури клітинних мембран і мітохондрій призводить до зміни послідовності ферментативних реакцій і окислювального фосфорилювання. Пошкодження лизосом може стати причиною аутолізу клітини. Вони можуть розвинутися в соматичних клітинах, знижуючи життєздатність майбутніх поколінь. 
В деяких випадках клітина може набути здатність до більш активного неконтрольованого поділу, що призводить до виникнення злоякісних новоутворень та лейкозів (таку властивість має не тільки радіація, але і хімічні, і інші фізичні впливи). При смертельній дозі опромінення (для людини вона складає 6-8 Гр) в кожному грамі тканини утворюється 1015 пар іонів. Якщо вважати, що великі молекули складаються із 100-1000 атомів, а їх в клітині біля 50%, то загальна кількість молекул в грамі досягає 1021. А якщо припустити, що іонізація молекул всіх розмірів рівномірна, то виходить, що іонізується 1015 молекул (а це лише мільйонна частина атомів в організмі). І цього достатньо, щоб людина загинула!
В чому справа? Справа в тім, що при проходженні іонізуючих випромінювань скрізь живі організми, поглинута енергія розподіляється не рівномірно, а окремими «купами». В результаті велика кількість енергії випромінювання передається в певні ділянки деяких клітин і зовсім невелика в інші. Незначність поглинутої кількості енергії, яка викликає тяжкі наслідки, можна продемонструвати деякими засобами. Смертельну дозу іонізуючого випромінювання при загальному опроміненні можна співставити з тепловою або механічною енергією (рис. 2.4).

Квантове іонізуюче випромінення

Енергія  67 кал відповідає кількості енергії при вживанні однієї чайної ложки гарячого напою.
Різниця температури: 600С-370С=230С
Об’єм випитого напою, еквівалентний
ЛД=4Гр: 67 кал /230С=3мл

Загальна кількість енергії, поглинутої в тілі людини (вагою 70 кг), яка отримала летальну дозу в 4 Гр, складає всього 67 кал.
Поглинута енергія: 70х4=280 (Дж) = 67 (кал)

Наприклад, теплова енергія поглинається в тканинах однаково і рівномірно. Тому, щоб викликати пошкодження в живому організмі, енергії подібного типу вимагається значно більше, ніж енергії іонізуючого випромінювання.

Це також дорівнює потенціальній енергії, яка потрібна для підіймання людини на висоту 0,41 м від землі.
Маса людини 70кг
Висота підіймання еквівалентна енергії
 ЛД=4Гр: 280Дж/(70кг х 0.098 м/с2)=0.41м

Біологічний ефект іонізуючого випромінення залежить не від загальної кількості отриманної енергії, а від того, що енергія надходить у вигляді великих “пакетів” або фотонів, які спроможні розірвати життєво важливі для організму хімічні зв’язки . Наприклад: 1кг піску буде представляти  одну й ту ж кількість енергії,  рухаючись з тією ж швидкістю, як кілограмовий камінь. Однак, пісок здійснює невелике пошкодження, тому що його загальна енергія розподілена між тисячами пісчинок. А камінь призведе до летального випадку, якщо влучить в життєво важливе місце організму, тому що енергія зосереджена у вигляді великої “купи”.
 

Рис 2.4. Залежність біологічного ефекту іонізуючого випромінювання не від кількості поглинутої енергії, а від енергії кванту або розміру “купи”