Ионизационные потери
Потери
энергии заряженными частицами при
прохождении в веществе на ионизацию и
возбуждение атомов называются
ионизационными.
Потери энергии на тормозное излучение
называются радиационными.
Обычно рассчитываются удельные потери
энергии частицами на единицу пути их в
веществе:
,
где Е – полная энергия частицы.
Тормозное и черенковское излучения
Излучение,
возникающее при прохождении электрона
через поле атома или ядра, называется
тормозным.
Тормозное излучение имеет непрерывный
спектр, ограниченный максимальной
частотой
,
которая при
<< 1 равна
,
где
- начальная скорость электрона, m
– его масса, h
– постоянная Планка.
При
движении электрона (или другой заряженной
частицы – протона, мезона и т.д.) в среде
с показателем преломления «n»
его скорость «
»
может оказаться больше фазовой скорости
света «
»
в данной среде, т.е.
<
<C.
В этом случае наблюдается электромагнитное излучение, которое называется свечением Вавилова-Черенкова.
Излучение Вавилова-Черенкова заключено внутри конуса, образующие которого составляют с направлением, вдоль которого движется электрон, угол «θ».
Прямое и косвенное действие излучений на мишени в клетках
Анализ первичных физико-химических процессов, протекающих в облученной клетке, имеет первостепенное значение для создания общей теории биологического действия ионизирующих излучений. В большинстве случаев затруднительна и мало оправдана прямая экстраполяция данных, полученных при облучении простых модельных систем (молекул, вирусов, субклеточных органоидов), на высокоорганизованную и активно метоболизирующую систему – живую клетку. Логика современного исследования требует планомерного поэтапного анализа механизмов действия излучения.
Радиационно-химическое изменение данного растворенного вещества, обусловленное продуктами радиолиза воды или других растворенных веществ, называется косвенным или непрямым действием излучений.
Радиационно-химические превращения, вызванные непосредственным действием энергии радиации в месте ее поглощения или в результате недиффузионного переноса энергии, составляет прямое действие излучений.
Существует уникальная структура – мишень, поражение которой вследствие поглощения энергии излучения однозначно приводит клетку к гибели. Вероятностный характер гибели клеток определяется вероятностью переноса энергии излучения к соответствующей мишени. Неодинаковая радиочувствительность клеток может объясняться различными геометрическими размерами или физико-химическими свойствами их критических мишеней.
Мишень, ответственная за гибель клеток, локализована в клеточном ядре и конкретно молекула ДНК служит мишенью радиационного поражения и возникающие в ней повреждения оказываются определяющими в репродуктивной гибели клеток. Показано, что при облучении в дозе До на клетку приходится от500 до 900 радионитевых разрывов полинуклеотидной цепи ДНК и около 60 двойных разрывов.
Медленно делящиеся клетки, клетки с ограниченной способностью к делению или неделящиеся клетки гибнут вскоре после облучения (в первые несколько часов или же в первые сутки), и их гибель не связана с процессами клеточными деления – она происходит в интерфазе. Важность излучения интерфазной гибели для радиобиологии объясняется той ролью, которую играет этот тип гибели в радиационном поражении млекопитающих. При интерфазной гибели клеток наблюдаются изменения, связанные с механизмом образования АТФ; эффекты, обусловленные нарушением проницаемости мембран; биохимические изменения, связанные с дезорганизацией ядерных структур.
Ионизирующие частицы, пронизывающие высокоорганизованную микрогетерогенную структуру живой клетки, с определенной вероятностью передают часть своей энергии отдельным молекулам, расположенным вдоль треков частиц. Молекулы, поглотившие энергию излучения, переходят в различные возбужденные состояния, часть которых заканчивается ионизацией. Эта первая, или физическая, стадия действия излучения на клетку должна закончиться в первые 10-13с. Ее результатом служит возникновение ионизированных и возбужденных молекул, неравномерно распределенных вдоль треков ионизирующих частиц. Ионизированные и возбужденные молекулы нестабильны.
Помимо прямого действия на биомолекулы ионизирующие излучения вызывают их поражение косвенным путем – диффундирующими водными радикалами H', ОН', еˉгидр и другими, возникающими в результате радиолиза воды. В липидной фазе могут возникать высокоактивные перекисные радикалы и другие продукты радиационного окисления, способные передавать энергию молекулам, погруженным в липидную фазу клеток.
Процессы, связанные с внутримолекулярной миграцией энергии и диффузией радикалов воды, различными межмолекулярными перестройками возбужденных и ионизированных клеточных структур, относятся к физико-химической стадии действия излучения на клетку, которая длится около 10-10с. Возникающие первичные продукты, как правило, неустойчивы и быстро претерпевают вторичные превращения, приводящие к образованию биорадикалов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой.
Взаимодействие биорадикалов друг с другом и с окружающими молекулами должно привести к возникновению стойких молекулярных изменений – разнообразных повреждений в структуре молекул, составляющих живую клетку. Рассматриваемая стадия действия излучения получила название химической, ее продолжительность около 10-6с.
Под действием излучения произойдет нарушение первичной структуры белков (селективное разрушение отдельных аминокислот), изменится их вторичная структура, нарушится конформация и, возможно, структура активного центра ферментов. В нуклеиновых кислотах возникнут одно- и двухнитевые разрывы полинуклеотидных цепей, разрушатся некоторые азотистые основания, возникнут межмолекулярные сшивки (ДНК-ДНК, ДНК-белок). Могут оказаться пораженными молекулы nРНК, тРНК и рибосомы. В липидах мембран будут инициироваться реакции свободнорадикального перекисного окисления, накапливаться токсические для клетки продукты окисления тканевых липидов.
Различные структурные повреждения молекул клетки могут привести к радиообразным функциональным нарушениям, составляющим последнюю, биологическую, стадию действия излучения.