ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 1011
Скачиваний: 3
Основи біофізики і біомеханіки
229
Для порівняння ефектів від опромінення конкретного органа чи
тканини живого організму з ефектами від опромінення всього тіла
організму в радіобіології використовують поняття ефективної
еквівалентної дози випромінювання
D
ef
. [
D
ef
] = 1 Зв.
Ефективна еквівалентна доза випромінювання
– це
зважена сума
еквівалентних доз на різні органи чи тканини:
D
ef
= ∑ω
i
.
D
eq
(8.6.2)
де
ω
i
– зважуючий коефіцієнт,
D
eq
–
еквівалентна доза
на окремий
орган чи тканину, Зв.
Зважуючий коефіцієнт пов’язує стохастичний
23
ризик від опромінення
окремого органу чи тканини з загальним ризиком при рівномірному
опроміненні усього тіла. Наприклад, при однаковій еквівалентній дозі
опромінення, виникнення рака легенів більш імовірно, ніж щитовидної
залози, а опромінення статевих залоз особливо небезпечно через ризик
генетичних ушкоджень.
Міжнародним Комітетом з радіаційного захисту (МКРЗ) (Публікація
№ 60) рекомендовані такі значення зважуючих коефіцієнтів: для гонад –
0,25; для кісткового мозку, легенів, шлунку – 0,12; для молочної залози –
0,15; для печінки, щитоподібної залози – 0,05; для шкіри – 0,01; для
решти органів – 0,05.
Поглинута, еквівалентна й ефективна еквівалентна дози описують
лише індивідуально одержувані дози. Підсумував індивідуальні ефективні
еквівалентні дози, отримані групою людей, знаходять
колективну
ефективну еквівалентну дозу
, що виміряється в людино-зівертах (люд-Зв).
Така ієрархія понять являє собою логічно послідовну систему й
дозволяє відбити особливості впливу різних видів випромінювань на
людський організм.
Механізм дії іонізуючого випромінювання.
В результаті впливу
іонізуючого випромінювання на організм людини в тканинах можуть
відбуватися складні фізичні, хімічні й біологічні процеси. Для
з’ясування ефектів, які наступають в живому організмі внаслідок дії на
нього іонізуючого випромінювання, потрібно з’ясувати, які процеси
відбуваються з будь-якою речовиною (а значить, і з живим організмом)
при впливі на неї іонізуючого випромінювання.
Механізм поглинання енергії різних за своєю фізичною природою
випромінювань (корпускулярного або електромагнітного) неоднаковий,
але результат взаємодії іонізуючих випромінювань будь-яких типів з
речовиною виражається через наступні послідовні етапи цієї взаємодії.
23
Стохастичний
– це ймовірністний ризик, тобто ймовірність виникнення якого
залежить від дози.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
230
Первинним фізичним актом
взаємодії іонізуючого випромінювання з
біологічним об’єктом є
і о н і з а ц і я
24
. Саме через іонізацію
відбувається передача енергії об’єкта. Не завжди передача енергії
атомам чи молекулам завершується утворенням іонів, можливим є
утворення атомів чи молекул у стані збудження (або
з б у д ж е н и х
25
атомів чи молекул).
Завдяки цим двом процесам
(іонізації та збудження),
перший етап впливу іонізуючого випромінювання на будь-який об’єкт
має назву
фізико-хімічного етапу.
Ф і з и ч н е п о я с н е н н я
I
е т а п у д і ї і о н і з у ю ч о г о
в и п р о м і н ю в а н н я .
Е ф е к т і о н і з а ц і ї
полягає в тому, що заряджена частка
електрично взаємодіє з електроном на зовнішній орбіталі атома чи
молекули речовини, крізь яку вона пролітає, що призводить до розриву
зв’язку цього електрону з відповідним атомом чи молекулою. Завдяки
іонізації відбувається передача енергії випромінювання електронам
зовнішніх орбіталей у такій кількості, що електрони відриваються від
молекули чи атома й переносяться у середовищі. Тобто для того, щоб
відбулася іонізація
потрібно, щоб кількість енергії, яку передано атому
чи молекулі, мала перевищувати енергію зв’язку електрона зі своїм
атомом чи молекулою (енергія, яка при цьому витрачається (тобто для
відриву електрона від атома чи молекули) – називають
п о т е н ц і а л о м і о н і з а ц і ї I
e
)
. Атом чи молекула при цьому втрачає
електрон і стає позитивно зарядженим іоном, а разом з відірваним
електроном вони утворюють пару іонів.
Якщо електрону передано енергії більше, ніж йому потрібно для
відриву від атому, то він є здатним іонізувати інші атоми середовища
(це буде тривати доти, доки він не витратить повністю свою кінетичну
енергію і не приєднається до нейтральної молекули з утворенням
негативного іону). Таким чином, внаслідок повної передачі енергії
іонізуючої частинки (α-, β-), в поглинаючому середовищі утворюється
багато пар іонів.
Крім іонів, у поглинаючому середовищі утворюються атоми чи
молекули в стані збудження. Процес
збудження
атомів виникає, коли
атомам чи молекулам середовища передається енергія, яка є меншою
за потенціал іонізації – тобто її не достатньо для відриву електрону;
при цьому вона поглинається речовиною, а атоми чи молекули
24
Іонізація
– це перетворення нейтральних атомів чи молекул на частинки, які несуть
позитивний або негативний заряд (іони).
25
Збудження
– це такий стан атомів чи молекул, коли вони мають енергію, яка більша
ніж в основному стані, що відбувається шляхом електронних переходів (переміщення
електрона з ближньої до ядра орбіталі – на орбіталь, яка більш віддалена від ядра).
Основи біофізики і біомеханіки
231
переходять у стан збудження (або виникають
збуджені атоми
). Це
такий стан атомів чи молекул, коли вони мають енергію, яка більша,
ніж в основному стані, що відбувається шляхом електронних переходів
(переміщення електрона з ближньої до ядра орбіталі – на орбіталь, яка
більш віддалена від ядра).
Пояснення збудженого стану
. У молекулі існує система електронних
енергетичних рівнів. Для хімічних властивостей молекули визначаль-
ними є два рівні – верхній за значенням енергії заповнена молекулярна
орбіталь, і не заповнені орбіталі. На кожній заповненій орбіталі може
бути два електрони, які характеризуються протилежними власними
магнітними моментами (антипаралельні спини). Якщо ж на орбіталі
залишається один електрон, то говорять про наявність неспареного
електрону. Вразі поглинання молекулою енергії, яка відповідає різниці
значень енергії верхнього заповненого й одного з незаповнених рівнів,
то матиме місце електронний перехід. Молекула при цьому переходить у
збуджений стан. Зі стану збудження молекула може повернутися до
основного стану кількома способами: перетворенням енергії збудження
на тепло (теплова конверсія), випромінюванням кванта енергії, який за
значенням відповідає різниці енергій певних електронних рівнів
(флуоресценція), передаванням енергії збудження іншій молекулі тощо.
Другим етапом є хімічна стадія, на якій утворюються
вільні
радикали
–
електро-нейтральні атоми чи молекули з неспареним
електроном на зовнішній орбіталі (або ті, які мають електрони з
неспареними спінами). На прикладі молекули води (
рис. 8.6.2
.) показано,
як утворюється вільний радикал
ОН
.
під дією іонізуючого випромінювання.
Вільні радикали є дуже реакційноспроможними, бо мають сильну
тенденцію спарювати неспарені електрони в іншому вільному радикалі
або видаляти цей електрон шляхом електронного випромінювання. В
присутності кисню утвориться також вільний радикал гідроперекису
(
HO
2
.
) і перекис водню (
H
2
O
2
.
), які є сильними окислювачами.
Внаслідок високої хімічної активності вільні радикали й
окислювачі швидко вступають у взаємодію з молекулами білків,
ферментів й інших структурних елементів біотканини. В результаті
порушуються обмінні процеси, придушується активність ферментних
систем, сповільнюється й припиняється ріст тканин, виникають нові,
не властиві організму, хімічні сполуки –
т о к с и н и
. Це приводить до
порушень життєдіяльності окремих функцій або систем організму в цілому.
Залежно від величини поглинутої дози й індивідуальних особливостей
організму ці зміни можуть бути зворотніми або незворотніми.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
232
Іонізуюче випромінювання
H
2
O
I етап – ф і з и к о - х і м і ч н і п е р е т в о р е н н я :
І о н і з а ц і я
З б у д ж е н і с т ь
H
2
O
H
2
O
+
+ e
-
H
2
O
+Е
-
H
2
O*
H
2
O + e
-
H
2
O
-
II етап – х і м і ч н і п е р е т в о р е н н я :
У т в о р е н н я в і л ь н и х р а д и к а л і в
H
2
O
+
H
+
+ OH
.
H
2
O*
H
.
+
OH
.
H
2
O
-
H
.
+ OH
-
Р і з н і н а с т у п н і п е р е б у д о в и
H
.
+ H
.
H
2
OH
.
+ OH
.
H
2
O
2
(перекис водню)
H
2
О + H
.
H
2
+
OH
.
При наявності кисню:
Іонізуюче випромінювання
H
2
O + O
2
OH
.
+ HО
2
.
O
2
+
H
.
HО
2
.
HО
2
.
+ HО
2
.
H
2
O
2
+ O
2
O
2
+ e
-
O
2
-
При наявності розчиненої
речовини:
HО
2
.
+e
-
HO
2
-
HO
2
-
+ H
+
H
2
O
2
Рис. 8.6.1
Схема перетворень молекул води під дією іонізуючого
випромінювання
Основи біофізики і біомеханіки
233
Хімічна стадія є дуже важливою, бо головною складовою частиною
живих організмів, у яких інтенсивно йдуть процеси обміну речовин, є
вода. Враховуючи той факт, що організм людини на 60-80 % складається з
води, то первинні радіаційно-хімічні ушкодження організму пов’язують з
утворенням електрично заряджених іонів, збуджених молекул,
утворенням нестійких вільних радикалів та перекисних молекул. При
чому, цей процес триває доти, доки не з’являться стабільні продукти.
Крім того, радикали можуть діяти як безпосередньо (ушкоджуючи
конкретні клітини), так і опосередковано (виступаючи в якості
посередників при перенесенні енергії випромінювання біомолекулам).
Вільні радикали також можуть реагувати з молекулами кисню, що
призводить до «кисневого ефекту» – підвищення ефективності
випромінювання у присутності кисню.
Природа первинних радіаційно-хімічних ушкоджень організму
людини
. Основним процесом, який характеризує хімічну стадію в
організмі людини, є
р а д і о л і з
– хімічні перетворення молекул
речовини (розщеплення молекули води на різні складові) з утворенням
вільних радикалів, перекисних молекул, гідроперекисних радикалів
тощо – тобто нестійких реакційноспроможних форм, які підлягають
постійним змінам з утворенням нових нестабільних форм; і цей процес
триватиме доти, доки не з’являться стабільні продукти.
Розглянемо, що відбувається при опроміненні молекул води. Як
вказано вище, первинними продуктами взаємодії випромінювання і
води є іонізовані й збуджені молекули:
1)
іонізація:
нейтральна молекула втрачає електрон і перетворюється
у позитивний іон:
H
2
O
H
2
O
+
+ e
-
(1)
2)
через поглинання надлишкової енергії молекула переходить у
збуджений стан:
H
2
O
+Е
-
H
2
O*
(2)
У випадку (1) електрон, який відлітає, взаємодіє з іншою
нейтральною молекулою води, при цьому перетворюється у від’ємно
заряджений іон:
H
2
O + e
-
H
2
O
-
Іонізовані та збуджені атоми чи молекули організму (
H
2
O
+
, H
2
O
-
,
H
2
O*)
є дуже нестійкими, вони розщеплюються і утворюються вільні
радикали.
H
2
O
+
H
+
+ OH
.
i
H
2
O
-
H
.
+ OH
-
H
2
O*
H
.
+ OH
.