Первичным физическим процессом взаимодействия ионизирующих излучений с биосубстратом является поглощение последним энергии проникающей радиации, вследствие чего происходит ионизация или возбуждение атомов и молекул. Взаимодействие образовавшихся ионов и свободных электронов между собой и окружающими атомами и молекулами представляет следующий этап биологического действия радиации — физико-химический, завершающийся образованием новых ионов, сольватированных (гидратированных) электронов, возбужденных молекул и свободных радикалов.
В основе первичных радиационно-индуцированных физико-химических процессов лежат два механизма, обозначаемые как прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Под прямым действием понимают пострадиационные эффекты, которые возникают в результате поглощения энергии ионизирующих излучений молекулами — «мишенями». Косвенные эффекты радиации реализуются через воздействие на биосубстрат продуктов радиационного разложения (радиолиза) воды и органических веществ клетки.
В основном косвенный биологический эффект радиации связан с образованием и действием на клетки биосубстрата свободных радикалов. Последние, хотя и электрически нейтральны, характеризуются наличием неспаренного электрона, что обусловливает их крайне высокую реакционную способность.
При радиолизе воды, составляющей основную массу (до 90%) вещества в клетке, образуются гидроксильный радикал ОН', гидратированный электрон егидр и радикал водорода Н'. Радикалы ОН' и Н' могут вступать во взаимодействие с образованием молекулярного водорода и перекиси водорода ШО2.
Гидроксильный радикал ОН' является самым сильным окислителем, образующимся при радиолизе воды, радикал Н' и егидр — сильные восстановители. При наличии в растворе кислорода гидратированный электрон и радикал водорода взаимодействуют с ним с образованием суперок- сид-анион-радикала О' и гидропероксидного радикала НО2'. Кроме того, в результате радиаиион- но-химических реакций образуются и другие активные формы кислорода — атомарный кислород и кислород долгоживущий в возбужденной форме — синглетный кислород. Эти продукты являются сильными окислителями органических веществ биосубстрата.
Помимо воды радиолизу подвергаются молекулы основных биологически важных органических веществ клетки — фосфолипидов, ДНК, нуклеотидов, аминокислот, белков, углеводов. Развивающиеся при этом радиационно-химические процессы, обусловленные как прямым действием радиации, так и продуктами радиолиза воды, приводят к возникновению органических радикалов, также обладающих неспаренными электронами и, следовательно, чрезвычайно реакци
онноспособных.
В механизмах повреждающего действия радиации на биомолекулы большое значение придается физико-химическому взаимодействию органических радикалов с кислородом, скорость которого на порядок выше, чем скорость взаимодействия с низкомолекулярными органическими веществами клетки, способствующими восстановлению радикалов. Высокое сродство кислорода к органическим радикалам, образующимся под влиянием облучения, лежит в основе так называемого «кислородного эффекта», суть которого (на молекулярном уровне) состоит в усилении радиационного повреждения белков, ДНК и других биомолекул в присутствии кислорода и металлов переменной валентности.
Таким образом, основным итогом первичных физико-химических процессов, происходящих в биосубстрате под влиянием облучения, является образование продуктов радиолиза воды, активных форм кислорода и органических радикалов, которые, в свою очередь, способны изменять структуру биологически важных макромолекул с нарушением их функции.