Прямое и косвенное действие радиации

Мы уже знаем, что основной результат действия проникающей радиации на вещество - ионизация молекул и атомов этого вещества. Ионизирующая частица (или квант энергии рентгеновских и гамма-лучей), пролетая через пространство, заполненное атомами вещества, неизбежно сталкивается с некоторыми из них. Путь ионизирующей частицы отмечен появлением множества пар ионов. Отсюда и происходит название частиц и всего излучения - ионизирующее.

Для понимания закономерностей биологического действия радиации очень важно иметь в виду еще два обстоятельства. Во-первых, способность частицы ионизировать атомы и молекулы вещества не ограничивается ее траекторией. Если исходная энергия частицы достаточно велика, электроны, выбитые ею из атомов, приобретают настолько большую энергию и скорость, что в свою очередь вызывает вторичную ионизацию. Эти вторичные электроны отдачи увеличивают зону вредного действия ионизирующих частиц.

Во-вторых, действие ионизирующей радиации приводит к образованию не только ионов. Если частица почему-либо отдает встреченным атомам небольшую порцию энергии (это бывает в тех случаях, когда она, пролетая, только задевает электронную оболочку атома), то ее оказывается уже недостаточно для того, чтобы выбить электрон из пределов атома. Электрон лишь на короткое время (одну миллионную долю секунды) отдаляется от ядра (такой электрон называется возбужденным), а затем скачком возвращается на свое обычное место, отдавая избыточную энергию в виде кванта ультрафиолетового излучения, тепла или химической энергии взаимодействия.

Таким образом, в результате пролета ионизирующей частицы в веществе образуются ионы и возбужденные атомы, лежащие как вдоль траектории первичной частицы, так и в стороне от нее, по пути движения вторичных электронов отдачи. Но это чисто физическое представление может служить лишь отправным пунктом для понимания сложнейших изменений, порождаемых радиацией в живой ткани.

Живая клетка, как мы уже отмечали, представляет собой очень сложную систему. Какие же последствия будет иметь образование в живой клетке ионов и "возбужденных атомов? Прежде всего надо иметь в виду, что в сложной клеточной организации есть молекулы веществ разного строения и разной сложности. Основную массу живого тела (от 50 до 80%) составляет вода. Она является растворителем органических веществ, входящих в состав организма, фоном, на котором протекают все жизненные обменные процессы. В воде растворены или взвешены молекулы солей, простых Сахаров, жирных кислот, аминокислот, а также большие сложные полимерные молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов.

Ионизирующие частицы, естественно, наталкиваются на атомы и молекулы вещества клетки без всякого разбора, так как движутся прямолинейно. Однако для живого вещества, для жизни и здоровья отдельной клетки и всего организма в целом вовсе не безразлично, какие именно молекулы встретились на пути смертоносной частицы. Если в результате облучения оказались разрушенными несколько десятков или даже сотен молекул воды, в общей массе клеточной жидкости эта ничтожная потеря не может играть серьезной роли. Но если пострадали молекулы нуклеиновых кислот и белков - наиболее важных структур клетки, тех самых веществ, которые обеспечивают протекание всех жизненных процессов в нужном порядке и последовательности, а также передачу признаков организма по наследству, такое повреждение уже не безразлично как для организма в целом, так и для отдельных его клеток.

Гигантские молекулы белков и нуклеиновых кислот состоят из десятков и сотен тысяч атомов. Даже прямое попадание ионизирующей частицы в такую молекулу неспособно ее разрушить полностью. Слишком большое количество связей объединяет отдельные атомы в целостную сложную систему. Разрыв нескольких связей, казалось бы, не может иметь серьезных последствий - ведь если общая структура молекул сохранена, разорванные связи могут со временем восстановиться. Как показывает опыт, такое восстановление возможно и происходит в действительности.

Однако наряду с процессом восстановления в молекулах биологических полимеров наблюдаются процессы другого порядка. Это прежде всего разрыв связей между атомами в молекуле белка или другого биополимера, образование ионов и свободных валентностей, которые резко увеличивают биохимическую реактивность поврежденных молекул. Разорванные связи стремятся соединиться, свободные валентности - заполниться. Но они могут быть заполнены любым химически активным атомом, а таких в протоплазме клеток немало. Таким образом, на место атома, входившего в состав белковой молекулы, может стать другой атом, с новыми свойствами. Это само по себе нежелательно, но главную опасность представляет все же другой процесс.

Из числа веществ, всегда присутствующих в растворенном состоянии в каждой клетке и межклеточной жидкости организма и обладающих большим химическим сродством, наибольшее значение имеет кислород. Он особенно легко соединяется с атомами и молекулами, имеющими свободные связи, и вызывает их окисление, сгорание, разрушение. Присоединяясь по месту разорванных связей в белковых структурах, молекулы кислорода как бы расширяют брешь, пробитую снарядом атомной артиллерии - ионизирующей частицей. Но разрушительный процесс не ограничивается быстрым окислением. Образуются разнообразные органические перекиси, которые надолго сохраняют окислительную способность и могут вызвать дальнейшее разрушение биополимерных структур спустя несколько часов и даже дней после облучения.

Наконец, энергия излучения, поглощенная молекулами белков и нуклеиновых кислот, не уменьшаясь, может перемещаться по цепочкам атомов, достигать самых слабых мест и разрушать молекулу не в месте попадания ионизирующей частицы, а довольно далеко от него.

Теперь ясно, какие разнообразные и сложные процессы возникают в гигантских молекулах биологических полимеров при попадании в них ионизирующих частиц, т. е. при прямом действии радиации. Под влиянием взаимодействия различных компонентов протоплазмы и в зависимости от структуры самих макромолекул первоначальный разрушительный эффект радиации многократно усиливается и нарастает. Однако вредоносное действие радиации не ограничивается прямым эффектом. Разрушение молекул воды ионизирующими частицами может оказывать на биополимерные структуры клетки и непрямое, вторичное действие.

При бомбардировке молекул воды Н₂O ионизирующими частицами образуются такие обломки, как атомы водорода Н и гидроксилы ОН. Иногда они несут электрический заряд: Н⁺ и ОН^-, но чаще остаются нейтральными. И все же, несмотря на отсутствие заряда, эти обломки резко отличаются от нейтральных молекул: они обладают свободными валентными связями. Такие обломки молекул называются свободными или активными радикалами, ибо, стремясь заполнить свободную связь, они чрезвычайно легко вступают в химические реакции с молекулами и другими радикалами. Эти обломки называют также окислительными, так как они, присоединяясь к молекулам, вызывают их окисление. Это относится прежде всего к гидроксилу - ОН, а также к продуктам его взаимодействия с кислородом - перекиси водорода Н₂О₂ и радикалу гипероксиду НО₂.

Все активные продукты, образующиеся при облучении молекул воды в присутствии растворенного в ней кислорода, способны вступать в реакции взаимодействия с нейтральными молекулами белков, нуклеиновых кислот и других важных клеточных структур, вызывая их окисление, разрушение. При реакции между свободным радикалом и нейтральной молекулой всегда образуются новая молекула и новый радикал. Иными словами, свободная валентность, присущая радикалу, во время реакции не исчезает, а переходит. Радикалы воды, образовавшиеся при воздействии ионизирующей радиации на живые системы, взаимодействуя с молекулами биополимеров, передают им свои свободные валентности. Нейтрализуясь, они вызывают образование органических радикалов. Но точно такие же радикалы образуются и при прямом действии радиации на молекулы нуклеиновых кислот и белков.

Таким образом, прямое и косвенное действие ядерных излучений приводит в сущности к одним и тем же результатам - к разрушению самых важных, сложных и ответственных соединений, без которых немыслима жизнь клетки и всего организма. Действие радиации на живую клетку значительно усиливается в присутствии кислорода и, наоборот, может быть существенно ослаблено, если удалить кислород или хотя бы уменьшить его концентрацию. Различие заключается только в том, что в случае косвенного действия лучей повреждение биополимерных макромолекул происходит не сразу, а как бы во вторую очередь, после взаимодействия лучей с молекулами воды. Но это различие носит в сущности второстепенный характер. С одной стороны, активные водные радикалы существуют всего десятитысячную долю секунды и успевают за столь короткое время вступить в реакцию с другими радикалами или молекулами. С другой стороны, при прямом попадании ионизирующей частицы в белковую молекулу поглощенная молекулой энергия не полностью и не сразу обусловливает разрыв тех или иных связей. Часть энергии как бы консервируется, переходит в скрытую форму, и лишь при определенных условиях проявляется в виде дополнительного повреждения.

Такова общая схема процессов, которые возникают в живой клетке под действием ядерных излучений. Однако общая схема еще не раскрывает всей сложности механизмов лучевого поражения, всех деталей разрушительной работы, первый толчок которой дает ионизирующая частица. Изучение этих сложнейших процессов продолжается, так как даже специалистам-радиобиологам далеко не все еще ясно.