Lecția # 2 Efectele directe și indirecte ale radiațiilor ionizante
Efectele directe și indirecte ale radiației asupra substanțelor și a macromoleculelor biologice
Procese cu radicali liberi în timpul iradierii apei și a soluțiilor apoase
Raportul efectelor directe și indirecte ale radiației ionizante în timpul inactivării radiațiilor a celulelor
Efectele directe și indirecte ale radiației asupra substanțelor și a macromoleculelor biologice
Mecanismele de bază ale interacțiunii radiației ionizante cu materia conduc la ionizarea atomilor și a moleculelor materiei. Aceasta se numește acțiune directă a radiațiilor ionizante. Ca urmare a acțiunii directe într-un obiect biologic, se produc daune macromoleculelor cum ar fi ADN, precum și formarea mai multor produse cu reacție înaltă din moleculele de apă care constituie masa (80-90% din substanță) a masei celulare.
Produsele de radioliză de apă reacționează una cu cealaltă și cu componentele organice ale celulei, ducând la distrugerea moleculelor lor. Această cale de afectare a radiațiilor la structurile vitale ale unei celule poartă în radiobiologie numele unui mecanism indirect al acțiunii radiațiilor.
Fig. 1 Efectele directe și indirecte ale radiației ionizante asupra celulei.
Acțiunea directă este înțeleasă ca schimbări care apar ca urmare a absorbției energiei de către moleculele iradiate ("ținte").
Efectul indirect al radiației ionizante este înțeles ca schimbările în molecule în soluție provocate de produsele de radioliză a apei sau a substanțelor dizolvate, mai degrabă decât de energia radiației absorbită de moleculele în sine.
În prezent, se crede că la nivelul celulelor, efectul indirect al radiației ionizante furnizează 70-90% din deteriorarea prin radiații structurilor celulare critice, inclusiv moleculele ADN.
Fig. 2. O schemă care explică efectul direct și indirect al radiației ionizante asupra moleculei țintă
Radioliza apei În timpul radiolizării, o moleculă de apă este ionizată prin pierderea unui electron
Radicalul H 2 O + reacționează cu o moleculă de apă neutră
ca urmare a formării unui radical hidroxil puternic reactiv. Electronul eliberat din molecula de apă interacționează cu moleculele de apă din jur; apare o moleculă excitată de H20 *. care disociază cu formarea a doi radicali:
Radicalii provoacă mai mult de jumătate din deteriorarea radiațiilor la ADN, deoarece acestea sunt capabile să difuzeze pe o distanță de aproximativ 1 nm. Raza dublului helix al moleculei ADN este aproape de 1 nm, deci sectiunea sa este de 3,14 nm. 2. Zona cu care molecula ADN poate ajunge la ADN este de 9,42 nm. de trei ori mai mare decât aria secțiunii transversale a moleculei ADN în sine. În mod natural, o parte din moleculele radicale formate în acest inel nu difuzează pe partea ADN și nu participă la deteriorarea sa.
În prezența oxigenului, se formează alte produse de radioliză a apei,
Proprietăți oxidante: radical hidroperoxid
În plus față de produsele oxidative, în timpul radiolizării apei, apare o formă stabilizată a electronului, un electron hidratat. Are o reactivitate ridicată, dar deja ca agent de reducere. Un alt reducător, format în timpul radiolizării apei, este hidrogenul atomic.
Procesul de radioliză a apei este simplificat în Fig. 4. Schema proceselor fizico-chimice primare pe calea ionizării până la efectul biologic este prezentată în Fig.
Figura 4. Produsele de radioliză a apei.
Fig. 5. Schema proceselor fizico-chimice primare pe calea ionizării până la efectul biologic final
Produse radioliză Apa, radicali liberi în primul rând, care conțin electroni nepereche, prezintă o reactivitate foarte mare, astfel încât durata lor de viață este de la 10 -10 la fracțiuni de secundă. În această perioadă, fie se recombină unul cu celălalt, fie reacționează cu compuși organici adiacenți. Principala „dorinta“ de a scăpa de electron nepereche radicală - se transferă la o altă moleculă, sau de a lua departe de ea pentru formarea unei perechi de electroni, devenind astfel al radicalului în molecula „stabilă“.
Istoria descoperirii efectului indirect al radiației
Au fost efectuate primele studii ale efectelor indirecte ale radiațiilor în 30-e ai secolului trecut G.Fikke (studiat soluții de compuși organici și anorganici simpli) și W. Dale (soluții de enzime cercetate). Aceste fapt paradoxal că numărul de molecule modificate prin iradiere nu a fost legată în mod direct la cantitatea totală a soluției (concentrația) a fost identificată. Astfel, a existat speculații că moleculele mai mari din material, cu atât mai mare probabilitatea rănirii prin iradiere și cu cât numărul de molecule avariate a fost respinsă. Pentru a explica acest paradox a fost prezentat teoria efectului indirect al radiațiilor, indicând faptul că deteriorarea moleculelor in studiu nu este numai din cauza expunerii directe la radiații ionizante, dar, de asemenea, datorită difuziei la el de produse radioliză apă. Deoarece apa preia întreg volumul iradiat, numărul expus la radiolizei moleculelor de apă la o anumită doză de iradiere este constantă, și doar suficient pentru a distruge un anumit număr de molecule ale substanței studiate. concentrații crescute ale substanței de testat peste o anumită valoare în aceste condiții nu este însoțită de o creștere proporțională a numărului de molecule afectate.
Astfel, cu efectul indirect al radiației, indiferent de diluția soluției, numărul absolut de molecule deteriorate rămâne constant, iar proporția lor din numărul total variază invers proporțional cu concentrația lor.
Fig. 6. Independența randamentului radiativ absolut față de concentrația substanței dizolvate.
De exemplu, în experimentele cu iradiante Fricke 1 L de acid formic, la o doză de 100 Gy a fost alocat 25 micromoli de hidrogen, indiferent dacă volumul iradiat conținut 10 -4 mol (cercuri negre), sau 10 -1 mol (cercuri albe) Acid Prin urmare, același numărul de molecule rupte de acid formic - în acest caz 25 micromoli - a fost într-o soluție slabă de 25% din cantitatea totală de acizi dizolvați și
în concentrație mai mare - 0,025%. Doar la radicalii de diluție foarte puternic parte începe să interacționeze unul cu altul, și într-o mai mică măsură, să reacționeze cu solut și, prin urmare, crește doza de radiații necesară pentru a deteriora același număr de molecule.
Spre deosebire de efectul indirect al acțiunii directe a radiației, numărul de molecule inactivate la o anumită doză de iradiere crește proporțional cu concentrația soluției și fracția lor din numărul total de molecule rămâne constantă (Figura 7)
Fig. 7. Dependența de inactivare a unei enzime sau a unui virus asupra concentrației sale în soluție sub efect direct (1) și indirect (2) de radiație
Întrebări pentru control
1. Dați conceptul de acțiune directă a radiațiilor ionizante?
2. Ce procese sunt baza pentru efectul indirect al radiațiilor ionizante?
3. Poate fi aceeași macromolecule, de exemplu, ADN, afectată de efectele directe și indirecte ale radiației ionizante?
4. Listați care molecule pot acționa ca o moleculă mediator
5. Cum se calculează că secțiunea transversală a helixului ADN va fi mai devreme de 3,14 nm 2?
6. Explicați de ce zona în care o moleculă de apă se poate potrivi unei molecule de apă este de 9,42 nm2?
7. Listați oxidanții formați în timpul radiolizării apei
8. Listați constituenții în radioliza reducătorilor de apă
9. Să explicăm ce paradox a fost teoria efectului indirect al radiației?
10. De ce în experimentele Fricke, despre efectele radiațiilor ionizante, s-au evaluat cantitățile de hidrogen formate?
11. Cum se modifică numărul moleculelor inactivate cu acțiunea directă a radiațiilor în funcție de doză?
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: