Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.

Раздел 3. Биологическое действие ионизирующих излучений

3.3. Химическая стадия. Прямое и непрямое действие радиации

Во время химической стадии образовавшиеся ранее высокоактивные свободные радикалы вступают в реакции между собой и с интактными молекулами, в результате чего возникают разнообразные повреждения молекул. Если повреждение биомолекул происходит в результате непосредственного поглощения ими энергии излучения, принято говорить о прямом действии радиации. Если же биомолекулы повреждаются в результате их химического взаимодействия с продуктами радиолиза воды, говорят о непрямом действии радиации.

К химически высокореактивным продуктам, образовавшимся на физико-химической стадии, относятся прежде всего радикалы ОН^* и Н^* и гидратированный электрон (е_гидр.). При взаимодействии первичных продуктов радиолиза воды с кислородом образуются новые продукты, такие как ионы Н₃О⁺ и пероксид водорода Н₂О₂, а также супероксидный анион-радикал  и  гидропероксид , обладающие даже более высокой реакционной способностью, чем первичные радикалы.

Гидроксильный радикал НО^* является самым сильным окислителем, образующимся при радиолизе воды, радикал водорода Н^* и   – сильные восстановители, пероксид водорода – слабый окислитель.

Образовавшиеся при радиолизе воды радикалы ОН^* и Н^* могут вступать во взаимодействие друг с другом с образованием молекулярного водорода Н₂ и пероксида водорода Н₂О₂:

Н^* + Н^*  ->  Н₂;   ОН^* + ОН^* -> Н₂О₂.

Гидратированный электрон вступает в реакции восстановления. Пример такой реакции представлен ниже:

 + СН(СН₂SН)СОO^- ->  H₂S + NH₂CH(CH₂)COO^- .

цистеин

В случае наличия в воде закиси азота гидратированные электроны превращаются в гидроксильный радикал:

+N₂О -> HO^* + N₂.

Эндогенный оксид азота NO, основной регулятор локальной регуляции тонуса артериальных сосудов, является также радикалом и активно взаимодействует с супероксид-анион-радикалом  с образованием пероксинитрит-аниона:

 + NO^*  -> ONOO^-.

Пероксинитрит, являясь токсическим веществом, способным повреждать белки и ДНК, при своем распаде вновь образует высокореактивные продукты – гидроксильный радикал НО^*, диоксид азота NO₂ и нитроний ион NO²⁺.

Продукты радиолиза воды способны вызвать практически все типы структурных повреждений, которые наблюдаются при прямом действии радиации. Непрямое действие радиации определяется содержанием в макромолекулах структурированной воды, когда поглощенная энергия при радиолизе воды может достигнуть важных надмолекулярных структур клетки и вызвать в них изменения. Наибольшая радиочувствительность среди органических веществ свойственна фосфолипидам, составляющим структурную основу клеточных мембран.

Так, гидратированный электрон способен присоединяться к органическим молекулам с образованием анион-радикала R^*, который характеризуется относительно высокой стабильностью. При воздействии продуктов радиолиза воды на аминокислоты, белки, углеводы, нуклеотиды, ДНК, фосфолипиды могут образовываться радикалы растворенных веществ.

В частности, при взаимодействии биомолекул с гидроксильным радикалом НО^* происходит отщепление водорода от органического вещества:

RH + ОН^*  -> R^* + Н₂О

или, при наличии двойных ненасыщенных связей в веществе, их разрыв:

R₁HC = CHR₂ + ОН^*  -> R₁HC^*(ОН) – .

В результате реакций с участием ОН^* образуются нестабильные продукты, включая радикалы с большой реакционной способностью.

При взаимодействии с органическими веществами радикала водорода Н^* происходит отщепление водорода:

RH + Н^* -> R^*+ H₂,

а при наличии свободной аминогруппы все завершается дезаминированием:

RNH₂ + Н^* -> R^* + NH₃.

Образующиеся в результате как прямого, так и непрямого действия радиации органические радикалы обладают высокой реакционной способностью. Они могут вступать в реакции:

гидроксилирования                                                 – R^* + OH -> ROH;

гидрирования                                                            – R^* + H -> RH;

образования гидроперекисных радикалов      – R^* + O₂ -> ROO^*;

ROO^* + RH  ->  ROOH + R^*.

Соединяясь с кислородом, органические радикалы образуют перок-сидные радикалы типа , которые, в свою очередь, могут переходить в гидроперекиси, отщепляя водород от других соединений:

 + RSH -> ROOH+ RS^*.

Органические радикалы, вступая в разнообразные реакции, чаще всего инактивируются. Однако образовавшийся в результате облучения свободный радикал может прореагировать с нормальным радикалом, участвующим в важной ферментативной реакции, и инактивировать его. В этом случае повреждающее действие радикалов может быть связано с ингибированием соответствующей реакции.

Продолжительность химической стадии составляет 10^-6-10^-3 с.