радиобиология / занятие №2

Занятие №2 Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений

План занятия:

Прямое и косвенное действие излучений на вещества и биологические макромолекулы

Свободнорадикальные процессы при облучении воды и водных растворов

Эффект разведения

Соотношение прямого и косвенного действия ионизирующего излучения при радиационной инактивации клеток

Прямое и косвенное действие излучений на вещества и биологические макромолекулы

Основные механизмы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом приводят к ионизации атомов и молекул вещества. Это называют прямым действием ионизирующего излучения. В результате прямого действия в биологическом объекте возникают повреждения макромолекул, таких как ДНК, а также образование нескольких высокореакционных продуктов из молекул воды, составляющей основную (80-90% вещества) массу клетки.

Продукты радиолиза воды реагируют как между собой, так и с органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их молекулы. Этот путь лучевого поражения жизненно-важных структур клетки носит в радиобиологии название косвенного механизма действия излучения.

Рис. 1 Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения на клетку.

Под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии самими облучаемыми молекулами («мишенями»).

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

1

В настоящее время считают, что на уровне клетки непрямое действие ионизирующего излучения обеспечивает 70-90% лучевых повреждений критических клеточных структур, в том числе молекул ДНК.

Рис. 2. Схема, объясняющая прямое и косвенное действие ионизирующего излучения на молекулу-мишень

Радиолиз воды При радиолизе молекула воды ионизируется теряя электрон

Ион радикал Н2О+ реагирует с нейтральной молекулой воды

в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила Высвобожденный из молекулы воды электрон взаимодействует с окружающими молекулами воды; при этом возникает возбужденная молекула Н2О*, которая диссоциирует с образованием двух радикалов:

Радикалы являются причиной более чем половины радиационных поражений ДНК, так как они способны диффундировать на расстояние около 1 нм. Радиус двойной спирали молекулы ДНК близок к 1 нм, так что ее сечение равно 3,14 нм2. Площадь с которой к ДНК могут доходить молекулы ДНК равна 9,42 нм2, т.е. втрое больше, чем площадь сечения самой молекулы ДНК. Естественно часть образующихся в этом кольце молекул воды радикалов диффундируют не в сторону ДНК и не принимают участия в ее поражении.

В присутствии кислорода образуются и другие продукты радиолиза воды,

обладающие окислительными свойствами: гидропероксидный радикал	, пероксид
водорода Н2О2 и атомарный кислород:
	2

Кроме окислительных продуктов, в процессе радиолиза воды возникает стабилизированная форма электрона – гидратированный электрон. Он обладает высокой реакционной способностью, но уже в качестве восстановителя. Другим восстановителем, образующимся при радиолизе воды, является атомарный водород.

Процесс радиолиза воды упрощенно представлен на рис. 4., а схема первичных физикохимических процессов на пути от ионизации к биологическому эффекту приведена на рис.5.

Рис.4. Продукты радиолиза воды.

Рис. 5. Схема первичных физико-химических процессов на пути от ионизации к конечному биологическому эффекту

3

Продукты радиолиза воды, в первую очередь, свободные радикалы, содержащие неспаренные электроны, обладают очень высокой реакционной способностью, так что время их существования составляет от 10-10 до долей секунды. За этот период они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с находящимися рядом органическими соединениями. Основное «стремление» радикала избавиться от неспаренного электрона – передать его другой молекуле или отнять у нее электрон для образования пары, превратившись тем самым из радикала в «стабильную» молекулу.

История открытия косвенного действия радиации

Первые исследования косвенного действия радиации были проведены в 30-е годы прошлого века Г.Фикке (изучал растворы неорганических и простых органических соединений) и У. Дейлом (исследовал растворы ферментов). Ими был выявлен парадоксальный факт, что число измененных облучением молекул не было прямо связано с их общим количеством в растворе (концентрацией). Тем самым существовавшее предположение, что чем больше молекул в веществе, тем больше вероятность их повреждения при облучении и тем больше количество поврежденных молекул было отвергнуто. Для того, чтобы объяснить этот парадокс была выдвинута теория косвенного действия радиации, указывающая, что поражение изучаемых молекул происходит не только за счет прямого попадания в них ионизирующего излучения, но и за счет диффузии к ним продуктов радиолиза воды. Так как вода занимает весь облучаемый объем, то количество подвергнутых радиолизу молекул воды при данной дозе облучения постоянно, и их хватает только для поражения определенного числа молекул изучаемого вещества. Увеличение концентрации изучаемого вещества сверх определенной величины в этих условиях не сопровождается пропорциональным увеличением числа пораженных молекул.

Таким образом, при косвенном действии радиации, независимо от разведения раствора, абсолютное число поврежденных молекул остается постоянным, а доля их от общего числа изменяется обратно пропорционально от их концентрации.

Рис. 6. Независимость абсолютного радиационного выхода от концентрации растворенного вещества.

Например, в опытах Фрикке при облучении 1 л муравьиной кислоты в дозе 100 Гр выделялось 25 мкмоль водорода независимо от того, содержал ли облучаемый объем 10-4моль (черные кружки) или 10-1 моль (белые кружки) кислоты Следовательно, одно и тоже количество распавшихся молекул муравьиной кислоты – в данном случае 25 мкмоль, - составляло в более слабом растворе 25% от общего количества растворенной кислоты, а

4

в более концентрированном – 0,025%. Лишь при очень сильном разведении часть радикалов начинает взаимодействовать друг с другом, и в меньшей степени реагируют с с растворенным веществом, в связи с чем увеличивается доза облучения, необходимая для повреждения такого же количества молекул.

В отличие от косвенного при прямом действии радиации число инактивированных молекул при заданной дозе облучения увеличивается пропорционально концентрации раствора, а их доля от общего числа молекул остается постоянной (Рис.7)

фермент		вирус

Рис. 7. Зависимость инактивации фермента или вируса от его концентрации в растворе при прямом (1) и косвенном (2) действии излучения

Вопросы для контроля

1.Дайте понятие прямого действия ионизирующего излучения?

2.Какие процессы лежат в основе косвенного действия ионизирующего излучения?

3.Может ли одна и та же макромолекула, например ДНК, подв ергнуться прямому и косвенному действию ионизирующего излучения?

4.Перечислите какие молекулы могут выступать в роли молекулы-посредника

(Рис.2)?

5.Как рассчитать что сечение спирали ДНК будет рано 3,14 нм2?

6.Объясните почему площадь с которой к ДНК могут подходить молекулы воды равна 9,42 нм2?

7.Перечислите образующиеся при радиолизе воды окислители

8.Перечислите образующие при радиолизе воды восстановители

9.Для объяснения какого парадокса была выдвинута теория косвенного действия радиации?

10.Почему в опытах Фрикке о действии ионизирующего излучения судили по количеству образующегося водорода?

11.Как изменяется число инактивированных молекул при прямом действии радиации в зависимости от дозы?

5