Беккерель обнаружил, что радий испускает альфа- и гамма-лучи. Под действием этого излучения вода расщепляется на водород и кислород. Сам по себе факт расщепления воды на составляющие элементы не был неожиданностью, поскольку еще Лаплас и Лавуазье в 1770-х гг. показали, что вода состоит из водорода и кислорода. Однако излучение не может сразу расщепить воду на газообразные молекулы водорода и кислорода (Н2 и О2) из-за «неправильного» соотношения атомов в молекуле воды (Н2О):
H2O → H2 + O2
В школе вам наверняка приходилось составлять химические уравнения. Так вот это уравнение незакончено. Мы имеем два атома кислорода в правой части и лишь один атом в левой части. Чтобы придать уравнению законченный вид, удвоим число молекул воды:
2H2O = 2H2 + O2
Но когда речь идет об излучении, дело обстоит иначе. Это не химическая реакция между молекулами, а взаимодействие излучения с одной молекулой воды. Ионизирующая радиация всегда действует на вещество на уровне отдельных атомов, и поэтому в данном процессе не образуются сразу молекулы водорода и кислорода. Состав первичных продуктов этой реакции обсуждался учеными на протяжении всего ХХ в., поскольку продукты эти очень недолговечны. Даже сегодня в данном вопросе нет полной ясности. Первую стадию можно записать следующим образом:
H2O → H+ + e- + OH+
Здесь Н+ — это протон (атом водорода, потерявший электрон), е- — растворенный (сольватированный) электрон, а ОН+ — свободный радикал, называемый гидроксильным радикалом. Эта безжалостная молекула относится к числу самых реакционноспособных химических частиц.
Свободными радикалами называют молекулы, которые можно выделить в виде индивидуальных частиц и которые обладают неспаренным электроном. Такие частицы характеризуются неустойчивой электронной конфигурацией. Они ищут стабильности, достичь которой могут в результате реакций с другими молекулами. Таким образом, многие свободные радикалы являются очень активными химическими частицами. Однако неправильно будет сказать, что все свободные радикалы очень реакционноспособны. Например, молекула кислорода содержит два неспаренных электрона и поэтому в принципе может быть названа свободным радикалом. Но тот факт, что в присутствии кислорода немедленно не возникает пожар, свидетельствует, что не все свободные радикалы чрезвычайно активны. Мы поговорим об этом чуть позже.
В приведенной выше реакции атом кислорода потерял один электрон, но до образования газообразной молекулы О2 еще далеко. Для превращения молекулы воды в молекулу кислорода два атома кислорода должны отдать четыре электрона. В обратном процессе превращения кислорода в воду, как при дыхании, к двум атомам кислорода необходимо добавить четыре электрона. Электроны теряются или приобретаются по одному, через образование трех промежуточных соединений: гидроксильного радикала (ОН+), пероксида водорода (Н2О2) и супероксидного радикала (О2-+)
[33]. Эти продукты возникают как при превращении кислорода в воду, так и при превращении воды в кислород (см. рис. 7). И именно они отвечают более чем за 90% повреждений биологических молекул, происходящих под действием некоторых форм радиации.
Радиация может напрямую оказывать влияние на любые молекулы, но в человеческом теле она в основном взаимодействует с водой. В значительной степени это связано просто с фактором вероятности: человеческое тело на 45 — 75% состоит из воды, в зависимости от возраста и количества жировых отложений. Самое высокое содержание воды — в организме ребенка, до 75%, организм взрослого мужчины содержит 60% воды. В организме взрослой женщины обычно больше подкожного жира и около 55% воды. Кроме того, определенную роль играют молекулярные факторы. Например, некоторые формы радиации, такие как рентгеновские и гамма-лучи, взаимодействуют в первую очередь с химическими связями в молекуле воды, а уже затем со связями между атомами углерода в органических молекулах. Это означает, что полные пожилые женщины (со сравнительно низким содержанием воды в организме) с большей вероятностью выживут после воздействия такого излучения, чем маленькие дети.
Образующиеся при облучении воды промежуточные соединения в химическом плане ведут себя совершенно по-разному. Однако, поскольку все они связаны между собой и могут превращаться друг в друга, их можно считать одинаково опасными. Эти три частицы действуют сообща в единой каталитической системе. Мы поговорим о них в том порядке, в котором они появляются при превращении воды в кислород.
Первыми образуются гидроксильные радикалы. Это чрезвычайно активные частицы, настоящие разбойники, которые атакуют любые биологические молекулы со скоростью, приближающейся к скорости их диффузии. Они реагируют с первыми попавшимися молекулами, и остановить их практически невозможно. Если вы когда-нибудь видели рекламу антиоксидантов, которые «очищают» организм от гидроксильных радикалов, знайте, что это полная бессмыслица. Гидроксильные радикалы реагируют настолько быстро, что нападают на любые молекулы, включая «очищающие». Чтобы вывести гидроксильные радикалы из организма, «очищающих молекул» должно быть больше, чем всех других молекул, вместе взятых, тогда есть шанс, что они примут удар на себя. Но в такой высокой концентрации любое вещество, даже самое полезное, убьет вас, поскольку будет мешать нормальному функционированию клеток.
После образования гидроксильных радикалов начинается целая череда неприятностей. Когда гидроксильный радикал атакует молекулу белка, липида или ДНК, он отнимает у них электрон и превращается в спокойнейшую молекулу воды. Однако обворованной молекуле теперь не хватает электрона. Вместо гидроксильного радикала образуется другой радикал — радикал белка, липида или ДНК. Как будто обворованный человек теряет разум, сам становится грабителем и не успокаивается, пока не обворует кого-нибудь еще. В этом суть всех реакций с участием свободных радикалов: один радикал всегда порождает второй, и если этот радикал тоже активен, происходит цепная реакция. Таким образом, основное свойство свободных радикалов — наличие неспаренного электрона, а основное свойство свободнорадикальных процессов — цепные реакции.
Мы все знакомы с проявлениями свободнорадикальных цепных реакций. Например, из-за них портится сливочное масло: жиры окисляются, и вкус становится прогорклым. Аналогичные процессы происходят в клеточных мембранах, в значительной степени состоящих из липидов. Это так называемое переокисление липидов. Все мучительные попытки остановить переокисление липидов оказывались безуспешными. Повреждения белков и ДНК заметны в меньшей степени, однако повреждение ДНК свободными радикалами является одной из главных причин генетических мутаций и отчасти объясняет высокую вероятность развития рака у людей, подвергшихся радиоактивному облучению.
