2) агрегацию молекул
3) образование свободных радикалов (+)
4) снижение возбуждения атомов
При воздействии ионизирующего излучения энергия фотонов или заряженных частиц передаётся атомам и молекулам тканей, вызывая их возбуждение и ионизацию. Эти первичные физические процессы запускают химические реакции, наиболее значимая из которых в биологических тканях — радиолиз воды. Поскольку вода составляет основную массу клетки, именно её распад является главным источником реакционноспособных частиц.
В результате радиолиза образуются гидроксильные радикалы (•OH), атомарный водород (•H), гидратированный электрон, а позднее — перекись водорода и другие активные формы кислорода. Свободные радикалы имеют неспаренный электрон и поэтому быстро взаимодействуют с липидами мембран, белками и нуклеиновыми кислотами. Повреждение ДНК, включая одно- и двунитевые разрывы, является ведущим механизмом клеточной гибели, мутагенеза и развития отдалённых радиационных эффектов.
Поэтому образование свободных радикалов рассматривается как центральный механизм непрямого действия радиации. Наряду с ним возможно прямое повреждение ДНК при непосредственном поглощении энергии молекулой-мишенью, однако в рентгеновском и гамма-излучении существенную роль обычно играет водный радиолиз. Усиление повреждения в присутствии кислорода объясняется фиксацией радикальных изменений с образованием труднообратимых перекисных соединений; это проявление кислородного эффекта.
| Этап или механизм | Основное событие | Радиобиологическое значение |
|---|---|---|
| Физический этап | Поглощение энергии, возбуждение и ионизация атомов и молекул | Формирование первичных ионных пар и электронов; длительность — около 10−15 с |
| Физико-химический этап | Перераспределение энергии и взаимодействие ионизированных молекул | Создание условий для последующих химических реакций в микроскопических участках трека излучения |
| Радиолиз воды | Расщепление молекул H2O под действием ионизирующего излучения | Главный источник свободных радикалов в клетке, так как внутриклеточная вода преобладает по объёму |
| Первичные радикалы | Образование •OH, •H и гидратированного электрона | Инициирование цепных реакций окисления биомолекул; наиболее повреждающим считается гидроксильный радикал |
| Вторичные активные соединения | Формирование H2O2, супероксид-аниона и органических перекисей | Продление химического повреждения после завершения первичного облучения |
| Непрямое действие | Радикалы повреждают ДНК, белки и мембраны без непосредственного попадания энергии в мишень | Особенно важно для рентгеновского и гамма-излучения; приводит к апоптозу, некрозу или генетическим нарушениям |
| Кислородный эффект | Кислород стабилизирует радиационно-индуцированные радикальные повреждения | Гипоксические клетки менее радиочувствительны, а хорошо оксигенированные ткани повреждаются сильнее |
Таким образом, образование свободных радикалов является закономерным следствием взаимодействия ионизирующего излучения с водной средой клетки. Наибольший вклад в повреждение вносит гидроксильный радикал, поскольку он быстро и неспецифично реагирует с жизненно важными молекулами. Выраженность эффекта зависит от дозы, мощности дозы, линейной передачи энергии, содержания кислорода и эффективности репарации ДНК. Эти механизмы лежат в основе как лучевого повреждения нормальных тканей, так и терапевтического действия радиации на опухоль.