2) возбуждении атомов ДНК
3) повреждении свободными радикалами
4) стабилизации атомов ДНК
Прямое действие ионизирующего излучения реализуется при непосредственном взаимодействии квантов или заряженных частиц с критическими молекулами клетки, прежде всего с ДНК. Передача энергии вызывает выбивание электрона из атома или молекулы, то есть ионизацию; образовавшийся ион и последующие химические превращения могут приводить к разрыву фосфодиэфирных связей, повреждению азотистых оснований и формированию одно- и двунитевых разрывов ДНК.
Возбуждение атомов является другим видом первичного физического взаимодействия: оно изменяет энергетическое состояние электрона без его удаления и само по себе не определяет прямой радиобиологический эффект. Повреждение свободными радикалами относится преимущественно к непрямому действию излучения, которое особенно важно в водных биологических системах: радиолиз воды приводит к образованию гидроксильных радикалов, гидратированных электронов и других активных продуктов, атакующих ДНК, белки и мембраны.
Доля прямого и непрямого действия зависит от вида излучения, его линейной передачи энергии и локализации энергетических событий. При высоко-ЛПЭ-излучении ионы формируют плотные кластеры повреждений непосредственно в области ДНК, тогда как для рентгеновского и гамма-излучения значительную роль играет радиолиз воды. Наиболее биологически значимым результатом обоих путей считается сложное, в том числе двунитевое, повреждение ДНК, которое может приводить к апоптозу, потере репродуктивной способности клетки или мутагенезу.
| Критерий | Прямое действие | Непрямое действие |
|---|---|---|
| Первичный объект взаимодействия | ДНК или другие критические макромолекулы | Молекулы воды с последующим воздействием продуктов радиолиза |
| Ключевой физико-химический процесс | Ионизация атомов и молекул-мишеней | Радиолиз воды и образование активных форм |
| Основные повреждающие агенты | Молекулярные ионы, вторичные электроны, локальные электронные возбуждения | Гидроксильный радикал, перекисные соединения и другие свободные радикалы |
| Типичные повреждения ДНК | Разрывы цепей, повреждение оснований, кластерные повреждения | Окисление оснований, разрывы цепей и модификация сахаро-фосфатного остова |
| Зависимость от ЛПЭ | Особенно выражено при высоком ЛПЭ и плотной ионизации | Часто преобладает при низком ЛПЭ, включая фотонное излучение |
| Радиобиологическое значение | Формирование первичного повреждения в критической мишени | Распространение повреждения от радиолиза воды к биомолекулам |
Таким образом, ионизация является определяющим признаком прямого воздействия излучения на биологическую мишень. В клетке оба механизма обычно реализуются одновременно, однако их соотношение влияет на спектр повреждений и относительную биологическую эффективность излучения. Репарация повреждений ДНК определяет, будет ли клетка выживать, утрачивать способность к делению или погибать.