Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf

Их распад схематически можно записать следующим обра­

бодные радикалы Н и ОН, как и в, процессах (3.75) и (3.77).

Обзор проведенных реакций показывает, что в процессе ра­ диолиза воды в ней накапливаются молекулярный водород Н2, кислород 0 2, а также сильные окислители — перекиси водорода

В последние годы происходит критический пересмотр и уточ­ нение механизмов радиолиза воды, а также последующих хими­ ческих превращений продуктов радиолиза. Оказалось, напри­ мер, что состояние гидратированного электрона более устойчиво, чем предполагалось раньше. В область теории радиолиза воды проникли новые идеи в связи с попытками использовать теорию твердого тела для описания процессов, происходящих в жидких средах. Имеются экспериментальные данные, которые показы­ вают плодотворность такого подхода. Например, оказалось, что в воде как диэлектрике, подобно твердым диэлектрикам, име­ ются места локализации (ловушки) образовавшихся при иониза­ ции электронов. То, что получило название гидратированных электронов с позиции теории твердого тела, следует рассматри­ вать как систему электронов, локализованных в ловушках и по­ лучивших название поляронов, или экситонов. Замкнутый в ло­ вушку электрон в системе электронных уровней диэлектрика оставляет «дырку». Локализованный электрон и дырка образуют квантовомеханическую систему, подобно водородоподобному

104

атому. Эта система излучает свой характеристический спектр, который действительно обнаружен.

Система поляронов создает некоторую локальную поляриза­ цию диэлектрика (в данном случае воды).

Таким образом, по современным представлениям поляроны — более устойчивые продукты радиолиза воды, чем это предпола­ галось.

Если в воде растворены какие-либо неорганические или ор­ ганические вещества, то они могут сами непосредственно под­ вергаться радиолизу— образуются другие продукты радиоли­ за — ионы и свободные радикалы. При этом происходит прямое радиационнохимическое превращение растворенного в воде ве­ щества. Но растворенное вещество может претерпевать и кос­ венные химические превращения под воздействием продуктов радиолиза воды. Поляроны, свободные радикалы Н и ОН, ионы Н+ и ОН- , а также перекиси водорода являются активными хи­ мическими реагентами, обусловливающими многообразие кос­ венных радиационнохимических превращений. При этом преиму­ щественно протекают реакции окисления (присоединение кисло­ рода, отщепление водорода или электрона): например, превраще­ ние двухвалентного железа в трехвалентное. Но могут протекать и реакции восстановления (отщепление кислорода, присоедине­ ние водорода или электрона). Так, при облучении восстанав­ ливаются бихромат калия, перманганат калия, йодаты. Короче говоря, облучение стимулируют окислительные и восстанови­ тельные реакции.

В тех случаях, когда такие реакции уже протекают, облуче­ ние приводит к изменению кинетики и сдвигу равновесия этих реакций.

Действие излучений на органические вещества. Существен­ ное значение для понимания процессов, которые происходят в живых организмах под действием ионизирующих излучений, имеет изучение действия излучения на органические вещества. Как уже отмечалось, на вещества, растворенные в воде, воздей­ ствие ионизирующих излучений может быть как прямым (ра­ диолиз), так и косвенным. И то и другое действие в основном приводит к одним и тем же результатам: образуются ионы и свободные радикалы. Так, под воздействием излучения может

где R — органический радикал.

В водной среде вследствие радиолиза воды и последующих превращений продуктов радиолиза накапливаются свободные радикалы Н, ОН, молекулярный водород, кислород и перекиси

105

водорода, поэтому должно происходить взаимодействие этих продуктов с органическими молекулами (косвенное действие). Например:

Таким образом, в результате косвенного действия ионизи­ рующих излучений происходит образование свободных органи­ ческих радикалов и органических перекисей. Существует еще один возможный процесс в водных растворах органических ве­ ществ— реакция димеризации и полимеризации органи­ ческих соединений. Например, могут осуществляться такие процессы, как

' Под действием излучений разрываются связи в органических молекулах и они начинают диссоциировать на отдельные фраг­ менты —■происходит деструкция органических молекул с обра­ зованием ионов или свободных радикалов:

Выше были приведены общие схемы радиационнохимических превращений органических веществ. Конкретные данные о ме­ ханизмах радиационнохимических превращений и составе обра­ зующихся продуктов можно получить в экспериментальных ис­ следованиях.

Насколько сложен состав продуктов радиолиза органических веществ, видно на примере у-облучения пентана C5Hi2. Ниже указан выход (число молекул на 100 эв поглощенной энергии) образующихся продуктов:

Как видно, среди перечисленных продуктов имеются продукты, деструкции, продукты внутреннего превращения (изомеризации) и продукты усложнения молекул (димеризации).

106

Г л а в а 4

РАДИОБИОЛОГИЯ

§ 1. ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БИОГЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА ВНЕ ОРГАНИЗМА

Для выяснения механизмов биологического действия иони­ зирующих излучений важное значение имеет изучение действия

и т. д.

Установлено, что аминокислоты под действием ионизирующих излучений разлагаются преимущественно с отщеплением аммиа­ ка (процесс дезаминирования). Радиационнохимический выход дезаминирования глицина, аргинина, аланина, гистидина, лизи­ на в водном растворе колеблется в пределах одной—пяти моле­ кул NH3 на одну пару ионов. Концентрация аминокислоты влия­ ет на радиационнохимический выход. С повышением концентра­ ции он увеличивается. Предполагается, что с повышением дозы увеличиваются доля прямых актов радиолиза аминокислот.

Пептиды реагируют на облучение аналогично аминокисло там. Существенное влияние на радиационнохимические реакции аминокислот и пептидов оказывает pH раствора.

В радиационной биохимии и биологии часто пользуются тер­ мином радиочувствительность. Одновременно употребляется тер­ мин радиоустойчивость. Мерой радиочувствительности или ра­ диоустойчивости может служить доза излучения, при которой наблюдается заданный радиационнохимический или радиобио­ логический эффект.

Радиационнохимическое расщепление аминокислот с замет­ ным выходом их наблюдается при сравнительно высоких дозах

(порядка 104— 105 рад).

Однако среди аминокислот есть одна аминокислота, радиа­ ционнохимическое превращение которой наблюдается при мень­ ших дозах. Такой радиочувствительной аминокислотой является серусодержащая аминокислота — цистин. Предполагается, что под влиянием двух свободных радикалов ОН сульфгидрильные группы двух молекул цистина окисляются (отщепляется водо­

108

род) и между двумя атомами серы замыкается связь с образо­ ванием молекулы цистеина:

Этот факт сравнительно легкого окисления сульфгидрильных групп оказался очень важным для теории биологического дей­ ствия ионизирующих излучений.

Показателями действия радиации на белки служат измене­ ния физико-химических свойств белка, его молекулярной мас­ сы, оптических свойств, электропроводности и т. п. Наблюдения за изменением этих свойств показали, что при облучении бел­ ков в дозах более 103 рад происходит денатурация белков. На­ пример, при облучении 0,07%-ного водного раствора сывороточ­ ного альбумина денатурация наблюдается при дозе около 70 000 рад. Водный раствор яичного альбумина меняет свои оп­ тические свойства при дозе около 4000 рад. Таким образом, ра­ диочувствительность (или радиоустойчивость) даже одних и тех же белков, но взятых из различных биологических объектов, значительно различается. Ферменты, являющиеся белковыми ве­ ществами, также обладают различной радиочувствительностью. Радиочувствительность большинства ферментов имеет такой же порядок, как и радиочувствительность белков, не обладающих ферментативными свойствами (103— 104 рад). Однако, подобно цистину, весьма чувствительными к излучению оказались бел­ ки-ферменты, содержащие сульфгидрильные группы. Например, ферментативная активность миозина в водном растворе умень­ шается уже при облучении в дозе около 10 рад. Другой фермент (дегидрогеназа фосфоглицеридальдегида) начинает инактивиро­ ваться при облучении в дозе 100 рад.

Большинство сульфгидрильных ферментов катализирует в живых организмах окислительные процессы (дыхание в клет­ ках).

Американский биохимик Баррон высказал предположение, что ионизирующие излучения в процессе воздействия на живые организмы осуществляют (прямо или косвенно) радиационнохи­ мические акты окисления сульфгидрильных групп ферментов и это приводит к нарушению обмена веществ.

В последние годы в радиационной биохимии большое внима­ ние уделяется изучению действия радиации на нуклеиновые кис­ лоты (ДНК и РНК) и нуклеопротеиды (ДНП) *. Это связано с

* Предполагается, что учащиеся знакомы с основами биохимии и моле­ кулярной биологии.

109