Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 9
Текст из файла (страница 9)
4. Образование пар электрон — позитрон. Процесс преобладает при энергии фотонов Ь~ >1(до 50) МэВ. Для образования пары необходимо, чтобы энергия первичного фотона была больше удвоенной энергии покоя электрона 2т,с . Прн соударении фотона с заряженной частицей Х (обычно некоторое ядро) вместо первичного фотона образуется электрон-позитронная пара: у ~- Х -+ Х + е + е+ . 50 где до — плотность потока на поверхности среды со стороны входа излучения (х = О); для расходящегося пучка фотонов от точечного источника <р„= <ро [! /(1 -~ х) ) е "~ где 1 — расстояние от источника до поверхности среды; ц~ — линейный коэффициент ослабления, см ~, зависящий от энергии фотонов и состава ослабляющей среды: 51 Здесь ц„,„— линейный коэффициент когерентн ого рассеяния; тф~, — линейный коэффициент фотоэффекта; а — линейный коэффициент комптоновского взаимодействия; у — линейный коэффициент эффекта образования пар.
1 йр По физическому смыслу ре —— — „Ыфу — доля частиц, испы<р пх тавших взаимодействие на расстоянии Их. Используется также понятие массового коэффициента ослабления потока излучения р , который связан с линейным коэффициентом следующим образом: )гс =1хтР Чх =Чае где х — толщина поглошающего слоя; р — плотность поглотителя. Поглощенная энергия в облучаемой среде определяется той энергией, которую передают веществу электроны е, порожденные первичными фотонами, в результате: ° упругих столкновений е с атомами и молекулами среды; ° неупругих столкновений (ионизация некоторых молекул и атомов); ° неупругих столкновений (возбуждение атомов и молекул среды); ° энергии тормозного излучения. 1.6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
БИОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Непрямое и прямое действие ИИ. Кислородный эффект. При облучении биообъектов, содержащих в своем составе воду, принято считать, что 50 ',4 поглощенной дозы в «средней» клетке приходится на воду, другие 50 '.4 — на ее органеллы и растворенные вещества 1121. В соответствии с локализацией поглощенной энергии (в воде или в основном веществе) говорят о непрямом и прямом действии ИИ. Соответственно и биомолекула, и субклеточная структура под действием ИИ могут быть повреждены в результате двух механизмов: непрямого и прямого действия ИИ.
Непрямое (косвенное) действие ИИ обусловлено повреждением био- молекулы в результате ее взаимодействия с радиационными химическими продуктами, образовавшимися в окружающей среде. Прямое действие обусловлено непосредственным взаимодействием заряженной частицы с биомолекулой или субклеточной структурой. Рассмотрим непрямое действие ИИ. При взаимодействии ИИ с водой происходят следующие процессы: Н20 -ь Н20'+ е Н20+ е — ~ Н20 Возникающие ионы воды в свою очередь распадаются с образованием ряда радикалов, которые взаимодействуют между собой: Н20 -+ Н +НО Н20 -+ Н+ОН Н+ОН-> Н20 ОН + ОН -ь Н202 Н202+ ОН -ь Н20 + НО2 С точки зрения биохимии считается, что основной эффект лучевого поражения обусловлен радикалами Н, ОН, Н202 и особенно НО2 (гидропероксид или пергидроксил).
Радикал НО2 обладает высокой окислительной способностью. Строение этого свободного радикала таково: Н вЂ” Π— Π—, Его выход уменьшается пропорционально падению парциального давления 02, так как НО2 образуется при облучении воды в присутствии кислорода. Поэтому при снижении концентрации 02 в период облучения уменьшается эффект лучевого поражения 1кислородный эффект). На молекулярном уровне кислородный эффект проявляется в усилении радиационной инактивации ферментов, повреждении углеводов, ДНК и т.
д. в присутствии кислорода. На клеточном уровне кислородный эффект проявляется в увеличении частоты генетических повреждений, гибели клеток. Не следует путать описанный здесь кислородный эффект при взаимодействии РИ с водой и передачу энергии молекуле кислорода с образованием синглетного кислорода в оптическом диапазоне (см. далее 3.12). Возникшие в результате взаимодействия с водой радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соединений клеток, давая начало вторичным радикалам.
При прямом действии ИИ луги превращений энергии могут быть представлены на первом этапе возникновением ионизированных и возбужденных молекул А: 52 53 А-э А +е, А-+А . Важнейшими процессами, ведущими к химическим преобразованиям (а следовательно, к поражению) биомолекул являются диссоциация А* на молекулярные продукты и взаимодействие с сенсибнлизатором (например, с кислородом): А +02 -+А 02. Из экспериментальных данных следует, что в клетках прямые и непрямые эффекты сопоставимы между собой. Эффекты прямого действия не изменяются химическими агентами. Модифицируется только часть эффектов, связанных с косвенным действием ИИ. В этом случае фактически речь идет либо о перехвате и нейтрализа- ции радикалов либо, наоборот, о повышении выхода радикалов и усилении непрямого действия ИИ.
Итак, радиационное поражение имеет три стадии: физическую, физико-химическую; химическую; биохимическую (биологическую). Поглощение энергии молекулами структур клетки — физичес- кая стадия действия излучения — заканчивается за 10 с. Проис- ходящие процессы невозможно модифицировать, так как число первичных актов ионизации и возбуждения не зависит от состоя- ния объекта и определяется лишь свойствами излучения. При дозе б 1 000 рад в клетке образуется приблизительно 10 активных цент- ров (т.
е. ионизированных и возбужденных молекул). Например, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что часть пер- вичных летальных повреждений молекул ДНК в клетках возникает в процессах прямого действия излучения за 1О 1о „.10 с. В этом случае химическая защита или сенсибнлизация представляются малореальными [22], Рассмотрим передачу энергии заряженной частицы среде. По закону Резерфорда при взаимодействии заряженной частицы со средой число событий с передачей энергии Е обратно пропор- ционально квадрату этой энергии: ~~ г(~) Таким образом, энергия чаше всего передается электронам срелы малыми порциями. При прохождении быстрой заряженной части- 54 цы через слой вещества потеря энергии на ионизацию и возбуждение атомов среды удовлетворительно описывается квантовомеханической формулой Бете — Блоха: л'с' 4л(Уе) е где (Уе) — заряд бомбардирующей частицы; и, — масса электрона; и — скорость этой частицы; (пХ) — концентрация электронов тормо(2тп 2 2 2 зашей среды; В=!п — (1и(1-13 )+1) ), 1 — средний по- У тенциал ионизации атомов тормозящей среды, 1)=п/с, с — ско- рость света.
Функция В слабо зависит от и, поэтому формулу можно упро- 2 ститгп — — (л2). 4(Е (УЕ) (1.1) г2х Выражение (1.1) можно использовать в широком диапазоне скоростей. При малых скоростях движения заряженной частицы (иона) в среде происходит несколько процессов взаимодействия: ° неупругие: обычные (ударные) процессы ионизации и возбуждения, а также процессы перезарядки (захват и потеря электронов мишени); ° упругие ядерные столкновения. Возникновение биорадикалов в связи с внутримолекулярной миграцией энергии и диффузией радикалов воды — физико- химическая стадия действия излучения — длится приблизительно 1О с. Модифицировать физико-химический этап лучевого поражения могут агенты, способные изменять характер миграции энергии или вступающие в реакцию со свободными радикалами. После облучения ионизированные и возбужденные атомы и молекулы в шества клетки в течение 1О с взаимодействуют между собой и с различными молекулярными системами, давая начало химически активным центрам (свободные радикалы, ионы, нонрадикалы н т.
и.). В тот же период возможно образование разрывов связей в молекулах как за счет непосредственного взаимодействия с ионизирующимн агентами, так и за счет внутри- и межмолеку- 55 лярной передачи энергии возбуждения. Последующее взаимодействие биорадикалов друг с другом и с окружающими молекулами приводит к возникновению стойких молекулярных изменений: повреждению в структуре молекул, составляющих клетку. Это химическая стадия действия ИИ.
Далее происходят реакции химически активных веществ с различными биоструктурами, При этом отмечаются деструкция и образование новых, не свойственных облучаемому организму соединений, и, как следствие, нарушение обмена веществ в биосистемах с изменением соответствующих функций. Разнообразные функциональные изменения, происходящие на биологической стадии, формируются в течение секунд, часов, дней или месяцев.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
