Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения (ИИ)

Любая облучающаяся система, состоящая из множества различных молекул, подвергается воздействию ИИ двумя путями:

1) непосредственное взаимодействие ионизирующей частицы или кванта с молекулами – прямое действие радиации. В молекуле А незамедлительно развивается какой-то ответ. Этот эффект не зависит от внешних условий (от температуры, наличия сопутствующих молекул и т. д.). Прямое действие ИИ-сложная последовательность событий. Условно разбивается на 3 стадии: 1. Физическая стадия (Е ИИ передается макромолекуле. Возникает ионизация или возбуждение). 2. Физ-хим. стадия (распределение избыточной Е по возбужденной молекуле. Появляются ионы и радикалы. Происходит перераспределение Е). 3. Хим. стадия (Ионы и радикалы взаимодействуют др. с др. и окружающими молекулами. Структурные изменения вызывают функциональные изменения).

2) в сложных системах обычно преобладает другой путь взаимодействия – энергия поглощается другими молекулами (окружающими гипотетическую молекулу А). Происходит радиационно-химическое повреждение, которое приводит к ионизации молекул, окружающих молекулу А. Инициации процесса способствуют ионы, радикалы и другие первичные продукты реакции взаимодействия ИИ с окружающими молекулами. Эти продукты могут взаимодействовать через какие-то промежутки времени с молекулой А. Непрямое воздействие ИИ носит дистанционный характер.

Опосредованное действие излучения зависит от ряда внешних условий, например, температуры, наличия сопутствующих молекул, их физиологического и функционального состояния.

Радиолиз воды. Молекулы воды очень легко подвергаются радиолизу. Клетка на 70-90% состоит из воды, следовательно, большая часть энергии (Е) поглощается молекулами Н₂О. Радикалы, возникающие в процессе радиолиза, проходят определенный путь до встречи с мол-й А. Поэтому в радиолизе участвуют связанные (структурированные) молекулы Н₂О, окружающие биологические коллоидные макромолекулы.

Радикалы – электрически нейтральные молекулы или атомы, которые имеют неспаренные электроны на своей внешней оболочке.

В результате облучения воды без примесей происходит образование свободных ē и положительно заряженных молекул воды:

Н₂О → ē + Н₂О⁺

Сначала ē, возникший в результате фотоэффекта, комптон-эффекта, существует как свободный, “сухой” электрон. Он будет проходить за 10^-12 с расстояние примерно равное 30-200 Ǻ. Проходя это расстояние, он в силу ряда процессов теряет часть Е и может поглотиться другой молекулой Н₂О, которая получит отрицательный заряд:

ē + Н₂О → Н₂О^-,

но этот процесс маловероятен.

Около ē образуется гидратная оболочка из диполей воды, обращенных к ē своими положительными концами (ē_aq). Гидратирование происходит за 10^-11 с. В таком состоянии τ (время полужизни) ē_aq составляет примерно 10^-4 с. Способность взаимодействовать определяется присутствием других молекул и ионов в среде. Молекулы Н₂О⁺ и Н₂О^- очень неустойчивы:

Н₂О⁺ → Н⁺ + ОН˙,

Н₂О^- → Н˙ + ОН^- .

Наиболее вероятно первое уравнение, в результате которого образуется довольно значительное количество гидроксильных радикалов.

Был рассчитан радиационно-индуцированный выход первичных продуктов радиолиза воды (I) – количество изменяющихся или вновь образующихся молекул на 100 эВ поглощенной Е. Для воды:

2,6 ед. ē_aq; 0,4 ед. Н˙; 2,6 ед. ОН˙ и небольшое количество Н₂О₂ и Н₂.

Если где-то образуется большое количество ОН˙ или Н˙, то

Н˙ + Н˙ → Н₂ ,

ОН˙ + ОН˙ → Н₂О₂ .

С другой стороны, Н˙ может вступать в реакцию: Н₂О + Н˙ → Н₂ + ОН˙.

Таким образом, основной спектр радикалов воды приходится на ОН˙ и ē_aq. ОН˙ и ē_aq -- очень реакционноспособные продукты, существуют незначительное количество времени, быстро вступают в реакцию с другими молекулами или атомами:

RH + ОН˙ → R˙ + Н₂О,

или RH + Н˙ → R + Н_2,

отсюда R₁˙ + R₂H → R₁H + R_2.

При присутствии в среде кислорода реакции протекают следующим образом:

О₂ + Н˙→ НО₂˙,

О₂ + ē → О₂˙,

О₂˙ + Н⁺ → НО₂˙,

2НО₂˙→ Н₂О₂ + О₂.

При взаимодействии с биологическими макромолекулами образуются органические перекисные радикалы:

R˙ + О₂ → RО₂˙,

RО₂˙ + RH → RО₂Н + R˙.

Радикалы воды являются очень сильными окислителями.