Биологическое действие ионизирующих излучений

мнений в наличии непрямого действия ионизирующих излучении. Однако тут же встает вопрос о природе тех промежуточных продуктов или медиаторов, которые осуществляют непрямое действие.

Примерная схема радиолиза воды. Поскольку основным раствором в биологических тканях является вода, естественно, что для понимания процессов, происходящих при косвенном действии излучения, необходимо в первую очередь осветить закономерности действия ионизирующих излучений на воду. По вполне понятным причинам эта глава радиационной химии, связанная с ядерной техникой (вода как замедлитель, как охладитель в водяном реакторе и т. д.) привлекла к себе в последние годы большое внимание и именно этому мы обязаны тем, что в существовавшее в 30-годах несколько расплывчатое понятие активированной воды можно вложить более или менее конкретное содержание.

Действие излучения на воду состоит из возбуждения и ионизации молекул воды. При возбуждении молекула воды легко распадается на ионы ОН и Н. Так как оба радикала находятся в непосредственном соседстве между собой, то они тотчас же вновь соединяются в молекулу воды.

Иначе обстоит дело при ионизации воды. Ионизация молекулы воды превращает ее в положительный ион.

Н,0 Н2О+ + е.

Сам по себе ион Н2О+стабилен, но в присутствии воды проис-.ходит диссоциация и образуется ион водорода и гидроксильнып радикал:

НЮ+ н+ + он.

Судьба электронов, вырванных из молекул воды, может бы1ь двоякой. Переместившись на некоторое расстояние в сторону от трека ионизирующей частицы и потеряв по пути значительную часть своей энергии, они либо захватываются молекулой воды, образуя отрицательный ион воды НгО , который немедленно вновь диссоциирует:

НаО + е H.J0~

либо захватываются положительным ионом атомарный водород:

водорода, образуя

Закономерности биологического действия ионизирующих излучений Ю5-

Таким образом, облучение воды в конце концов приводит к образованию радикалов ОН и атомарного водорода, обладающих большой реакционной способностью:

Н2ОН +ОН. (А)

Однако этим не ограничивается цепь реакций, возникающих в воде под действием облучения и имеющих значение для биологического эффекта излучения. Наряду с реакционноспособным ОН и Н , следует иметь в виду продукты их взаимодействия между собой, а именно:

ОН- + ОН- -у Н0О2, Н- 4- Н- Н..

Суммарным итогом процесса радиолиза воды является распад молекул воды на атом водорода и радикал ОН , а также образование перекиси водорода и молекулярного водорода. Последнее может, по-видимому, происходить и при непосредственном соединении между собой возбужденных излучением молекул воды:

2Н3О На + Н.,02. (Б)

Часть атомов водорода и гидроксильных радикалов может рекомбинировать, образуя снова молекулу воды:

Н-4-ОН--Н20.

Молекулярные продукты реакции, (Б) могут удаляться в результате взаимодействия с радикалами, образующимися при реакции (А):

Н2О2 + Н ~> Н,0 + он-;

Н, + ОН- НО + н-.

Одновременно могут протекать реакции, приводящие к образованию кислорода:

Н2О2 + 0Н-->Н20 -f НО2; НО-,-Ь ОН-Н.О-ЬО,:

но-

-НО-2- Нр + О;

н о + он- + о,.

Кислород, в свою очередь, может вступать в реакцию с атомарным водородом:

Оз + Н- -> НО,.

Радикал НО2, реагируя с атомом водорода, дает перекись водорода:

но, -f н-

HjOj.

В результате приведенных реакций в облучаемой воде образуются гидроксильные радикалы, перекись водорода и гидро-переокись - сильные окислители. Количественный выход этих веществ определяется кинетическими соотнощениями между протекающими реакциями и зависит от свойств излучений и условий облучения.

В изложенной выше схеме радиолиза воды обычно пр>1ни-малОсь, что процесс захвата электрона происходит на значительном расстоянии, порядка 15 ммк от места первичной ионизации, где находится первичный ион. Распределение радикалов в общем представлялось как колонна, центральная сердцевина которой состояла из ОН-радикалов с максимальной их концентрацией 1П0 оси, окруженных водородными атомами в меньшей концентрации, которые распределены внутри цилиндра ра.диу-

сом около 100 А, а его ось - это путь ионизирующей частицы.

На известную упрощенность этой схемы, отрицающей роль кулоновского поля и возбуждение молекул, неоднократно указывалось, но все же изложенные выше представления не подвергались сомнению.

В последние годы стали складываться несколько иные представления о процессах радиолиза. Маги подсчитал, что в воде электрон в 10 эв термализуется (достигает энергии кТ) в

1-13

сек. и может переместиться за это время только на рас-

стояние в 20 А. На таком расстоянии кулоновское поле продолжает действовать и электрон возвращается обратно к своему положительному иону, которым он захватывается, образуя высоко возбужденную молекулу воды, диссоциирующую на водородный ато.м и гидроксильный радикал. Поскачьку в среднем положительные ионы образуются пучками на известных расстояниях один от другого, напоминая четки с распределением узлов пропорционально линейному расходу энергии (каждый узел содержит в равном количестве Н-атомы и ОН-радикалы), через 10~ сек. после образования пучки радикалов начинают расходиться в результате диффузии. Допуская полное исчезновение радикалов путем соединения (2Н-чН2 и 20Н-Н202), а

Термин линейный расход энергии [ЛРЭ - LET - Linear Energy Transfer] предложен за рубежом вместо терминов удельная ионизация или линейная плотность ионизации , характеризуемых количеством пар ионов нг единицу длины пути по следующим мотивам. В то время как в газах количество пар ионов может быть определено прямыми физическими измерениями, в тканях это оценивается делением всей поглощенной на единицу пути ионизирующей частицы в тканях энергии на количество энергии, затрачиваемой на образование пары ионов. Однако эта последняя величина для тканей неизвестна (для воздуха она равн? 32-35 эв). Кроме того, термин удельная ионизация совершенно исключает мысль о возбужденных молекулах, роль которых в механизме биологического действия излучений неоправданно игнорировалась. -Линейный расход энергии выражается количеством кэв на микрон пути.

также путем рекомбинации (Н + ОН--НгО) и предполагая, что все три константы скоростей, а также скорости диффузии обоих радикалов одинаковы, можно прийти к следующим заключениям. На ранних стадиях распространения довольно часто будет происходить парная рекомбинация радикалов, но если это не произошло в 10~ceк., то диффузия радикала зайдет настолько далеко, что мало вероятна его встреча даже с радикалом того же пучка. Процессы комбинации и рекомбинации будут отличаться в зависимости от вида излучения, вернее от плотности ионизации (см. стр. 115).

Природа промежуточных продуктов, обеспечивающих непрямое действие излучения. Выявление природы продуктов радиолиза воды еще не означает, что именно через них осуществляется непрямое действие излучения и что эти окислители являются теми медиаторами, которые обуславливают первичные реакции в цепи механизма биологического действия излучений. Это требует доказательства. Наиболее убедительным доказательством являются результаты воздействия на растворы различных веществ рентгеновых лучей и так называемого фейнтоновского реактива, в котором химическим путем получаются гидроксильные радикалы ОН:

НаО, + Fe+ Fe+ + ОН !- ОН.

В том и другом случае, т. е. при рентгеновском облучении и при воздействии фейнтоновского реактива, получаются одинаковые продукты в более или менее одинаковых количественных соотношениях, причем природа получаемых продуктов говорит об обязательном участии в их образовании гидроксильных групп. Так, при облучении насыщенных растворов бензола образуются фенол, дифенил и трифенил. Аналогичные результаты были получены и при воздействии фейнтоновского реактива. Деполимеризация и продукты расщепления дезоксирибонуклеиновой кислоты в водном растворе были одинаковыми как при облучении рентгеновыми лучами, так и под действием свободных гидроксильных радикалов, образованных в фейнтоновском реактиве при восстановлении Н2О2 ионами Fe.

О роли радикалов в непрямом действии ионизирующих излучений говорит и кислородный эффект. Снижение эффективности воздействия излучения при уменьшении концентрации кислорода в облучаемой среде объясняется именно тем, что выход одного из наиболее действенных радикалов - НО2 обладающего время окислительными эквивалентами, зависит в значительной мере от концентрации кислорода в облучаемом объекте.

Более того, при биологическом действии излучений в отличие от воздействия на растворы неорганических веществ и индивидуальных органических соединений резко преобладают окис-

лительные реакции, обусловленные, скорее всего, наличием ОН, НО2 и Н2О2. Характер продуктов расщепления нуклеиновых кислот при их облучении указывает на разрыв водородных связей, что можно представить как окисление. То же можно сказать и об облучении биологически важных соединений, содержащих сульфгидрильные группы, в которых SH-группы переходят в S - S-груп-пы.

Существует мнение, что вязкость растворов дезоксирибону-клеиновой кислоты обусловлена водородными связями между амино- и гидроксильными группами. Окисление с помощью радикалов поведет к разрыву водородных связей и, следовательно, к снижению вязкости, что и наблюдается при облучении растворов дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Идентификация радикалов и их относительная роль в эффекте излучения. Данные современной радиологии позволяют не только установить роль радикалов в первичном механизме биологического действия излучений, но и дают возможность оценить относительную эффективность отдельных радикалов и их производных.

До последних лет большое значение в биологическом действии излучения придавалось перекиси водорода, считавшейся своеобразным ядом для живого вещества. Это, якобы, подтверждалось тем, что перекись водорода вызывала, в частности у багсгерий, такие же иЗ:менения, как и облучение. При этом, однако, упускалось из виду, что при сравнении перекись водорода бралась в гораздо больших концентрациях, чем те, которые получаются при облучении. Современные взгляды на окислительно-восстановительные процессы и все возрастающее признание роли и значения в этих процессах свободных радикалов не совместимы с представлениями о большой роли перекиси водорода. В отсутствие катализаторов перекись водорода - сравнительно слабый окислитель, несмотря на свой относительно большой окислительно-восстановительный потенциал (ео = + 0,68) типа молекулярного кислорода (ео = + 1,22). На самом деле многое из того, что приписывалось перекиси водорода, относится к гидроксильным радикалам, образующимся при добавлении к перекиси Fe+ или Си+. Окисление пирогаллола, Сахаров, некоторых жирных кислот, алкоголей и аминокислот объясняется добавлением солей железа к Н2О2, вследствие чего образуются такие же радикалы ОН, как и при облучении. То же можно сказать и об изменении спектров поглощения белков и окислении дезоксирибонуклеиновой кислоты. Водные растворы глютатиона, фероцитохрома, энзимов, содержащих сульфгидрильные группы и другие соединения, легко окисляющиеся при облучении, не окисляются перекисью водорода в отсутствие ионов некоторых металлов.

Отсутствие непосредственного действия перекиси водорода отмечено не только для указанных выше биологически важных соединений, но и для таких сложных биологических актов, как дыхание зародышевых клеток морского ежа. Н2О2 в концентрации 5 X 10 5 мол!л, соответствующей )ВЫХОду Н2О2 при облучении дозой в 100000 р, не влияет на дыхание этих клеток, в то время как сама эта доза излучения полностью прекращает дыхание. В ряде других случаев концентрации Н2О2, во много раз превышающие тс, которые образуются при облучении, также не давали эффекта.

Фермент каталаза разрушает перекись водорода. Поэтому его прибавление к облучаемому раствору должно снизить эффективность облучения, если образующаяся при облучении перекись водорода действительно участвует в эффекте облучения. Этот метод дает возможность оценить относительную роль Н2О2 в эффекте облучения и даже исключить ее участие.

Роль радикала ОН устанавливается при облучении растворов в бескислородной среде. Так как для образования ОН кислорода не требуется (в отличие от НО2), то наличие реакции при таком облучении указывает на участие ОН.

Таким образом, пользуясь следующими методическими приемами, можно установить относительную роль отдельных радикалов в эффекте действия излучения:

1) эффект в бескислородной среде говорит об активной роли ОН, которая может быть подтверждена воздействием химически образованных гидроксильных радикалов;

2) наличие эффекта и его нарастание в присутствии кислорода говорит о воздействии НО2 и Н2О2:

3) наличие эффекта в присутствии каталазы, разрушающей Н2О2 и более или менее устойчивой к облучению, исключает участие Н2О2 и может быть проконтролировано непосредственным воздействием Н2О2.

Так, облучение глютатиона при отсутствии кислорода привело к снижению эффективности до 33°/о по отношению к результатам облучения в аэробных условиях. Облучение в присутствии кислорода с прибавлением каталазы дало 78% от того, что наблюдалось без каталазы. Отсюда можно заключить, что при облучении в общем эффекте окисления глютатиона 33°/о идет за счет ОН, 22% за счет Н2О2 и 45% за счет НО2.

При облучении растворов полиметакриловой кислотой дозой в 1000 р вязкость ее наполовину снижается. В атмосфере азота вязкость не снижается, что говорит против участия в эффекте действия излучения гидроксильных радикалов и атомарного водорода. Перекись водорода даже в очень высоких концентрациях не действует на полимер. Все это свидетельствует о том, что действие излучения обусловливается НО2. Наоборот, в по-