Лекция 3. Радиобиологические процессы.
Понятие, стадии и особенности радиобиологических процессов.
Биофизические основы действия ионизирующего излучения.
Понятие, стадии и особенности радиобиологических процессов.
Радиобиологические процессы– процессы взаимодействия с живой системой ионизирующих излучений, приводящие к изменению их структуры и функций.
Первичные стадии:
радиофизические
радиохимические
Различие фото- и радиобиологических процессов связано с много большей энергией ионизирующих излучений:
При взаимодействии ионизированных молекул с молекулами вещества, оно сразу ионизируется (без возбуждения).
Свет селективен, а ионизированными называют все типы молекул, т.е. селективность отсутствует.
Свободно-радикальные процессы развиваются по цепному механизму, т.е. происходит самоусиление.
Биофизические основы действия ионизирующего излучения.
Все жизненно-важные биологические соединения функционируют в водном окружении, следовательно, ионизации подвергаются и органические молекулы, и молекулы воды.
H2O + hv → H2O+ + e-
Различают прямое и косвенное действие ионизирующего излучения.
Прямое действие– на радиохимической стадии непосредственно преобразуются сразу органические молекулы.
Непрямое действие(через воду) – на радиохимической стадии сначала преобразуются ионизированные молекулы воды, а продукт преобразования вступает в реакции с органическими молекулами.
Разложение ионизированных молекул воды под действием ионизирующего излучения – радиолиз воды:
H2O+→H++OH*(свободный радикал)
H2O + e- → H2O-
H2O-→OH-+H*(свободный радикал)
H2O+ + e- → H2O* → H* + OH*
В присутствии кислорода:
H*+O2→*HO2(гидроперекисный радикал)
*HO2+*HO2→H2O2+ 2O(продукты – очень сильные окислители)
Все эти ионы и свободные радикалы вызовут повреждение мембраны и отделение биологически важных молекул. Если механизмы репарации не успевают всё исправить, то развивается лучевая болезнь.
Лекция 4. Свободные радикалы в биологических процессах.
Понятие и виды свободных радикалов.
Свойства свободных радикалов. Свободные радикалы в организме человека.
Методы обнаружения свободных радикалов в тканях организма.
Понятие и виды свободных радикалов.
Свободные радикалы– молекула или её часть (атом, ион), обладающие неспаренными электронами. Если частица имеет 1 электрон - монорадикал (Н*, ОН*). Если частица имеет 2 электрона – бирадикал (О**+ все триплетно возбуждённые молекулы).
Свободный радикал может быть нейтральным и заряженным (ион-радикал), например (*RH)+.
Свойства свободных радикалов. Свободные радикалы в организме человека.
Свойства свободных радикалов:
Высокая реакционная способность (наличие неспаренного электрона – наличие свободной валентности).
Парамагнетизм (относительная магнитная проницаемость , магнитный момент не равен нулю).
В норме у человека постоянно образуется небольшое количество свободных радикалов в окислительных реакциях (это промежуточные продукты фотобиологических процессов):
Гидроксильный *ОН
Гидроперекисный *НО2
Радикалы некоторых переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий
Нейтральный радикал радикалы
Перекисный радикал липидов
В ряде патологий и при воздействии некоторых физических и химических факторов процессы свободно-радикального окисления резко усиливаются. Это особенно характерно для липидов, следовательно, уровень сободнорадикально окисляемых липидов может играть роль диагностического теста.
При воздействии коротковолнового ультрафиолета и ионизирующей радиации свободно-радикальные процессы начинают развиваться в таких субстратах, которым в норме они не были свойственны, например, в белках и нуклеиновых кислотах.
Методы обнаружения свободных радикалов в тканях организма.
Хемилюминесценциясопровождает некоторые экзергонические химические реакции. В организме – реакция рекомбинации перекисных липидных радикалов:
*RO2+*RO2→ продукты*→ продукты +hv.
Плюсы: метод очень чувствителен (до 10-14моль свободных радикалов).
Минусы: определяются радикалы только одного типа.
Спектроскопиямагнитного резонанса:
ЭПР– электронный парамагнитный резонанс
ЯМР– ядерный магнитный резонанс
В основе методов лежит расщепление энергетических уровней частиц в постоянном магнитном поле. Причина во взаимодействии с полем магнитных моментов неспаренных электронов (ЭПР) и ядер (ЯМР). Спектры ЯМР можно получить в разных классах магнетиков. А необходимым условием ЭПР является парамагнетизм, что характерно для свободных радикалов.
В отсутствии поля магнитные моменты отдельных частиц ориентированы хаотически. В магнитном поле они могут быть сориентированы двумя способами. Их магнитные моменты могут быть направлены по полю и против поля. В первом случае энергия частицы меньше по сравнению с хаотическим расположением векторов; а во втором случае – больше. Большинство частиц окажется расположенными по полю.
В результате образуется дополнительная система подуровней. Разность энергий подуровней соответствует величине квантов СВЧ-диапазона.
Е2
hv
единый
энергетический Е1
уровень
Рm– магнитный момент частицы
Н – вектор напряжённости магнитного поля
Большая часть частиц сориентированы по полю, т.е. находятся на нижнем уровне. При дополнительном воздействии электромагнитным излучением СВЧ-диапазона произойдёт поглощение квантов излучения с энергией hv=E2–E1. В системе произойдёт переход с нижнего уровня на верхний. Этот переход регистрируется как сигнал магнитного резонанса.
Зарегистрирован будет спектр магнитного резонанса– графическая зависимость от длины волны:
мощности действующего на вещество излучения
Р
поглощённой веществом энергии
Епогл
Спектры ЭПР позволяют судить о количестве свободных радикалов, а также позволяют проводить их идентификацию.
Мера количества поглощённых радикалов – площадь под кривой поглощения.
Качественный анализ для идентификации производится по следующим параметрам спектра ЭПР:
ширина полосы поглощения
положение полосы в спектре
наличие у спектра тонкой и сверхтонкой структур.
Тонкая структура– структура, возникающая в результате взаимодействия неспаренных электронов между собой.
Сверхтонкая структура– структура, возникающая в результате взаимодействия неспаренных электронов с ядром.
Епогл