Quá trình vật lý
Giai đoạn này diễn ra trong một biên độ thời gian cực nhỏ (10-16
– 10-12 giây), đó là thời gian để bức xạ tác động đến cấu trúc chịu tƣơng tác. Đối với hệ thống sinh học, cấu trúc chịu sự tƣơng tác trực tiếp là các phân tử: DNA, RNA, protein, enzyme, và màng tế bào.
Tác động của bức xạ ion hoá lên hệ thống thông tin di truyền tế bào nhƣ DNA, RNA, enzyme có ý nghĩa quan trọng. Các phân tử DNA có thể bị ion hóa trực tiếp hoặc gián tiếp.
Hình 1.9. Tác dụng trực tiếp và gián tiếp của bức xạ ion hóa tới DNA
Đối với cơ chế gián tiếp, bức xạ ion hóa các phân tử nƣớc trong vùng lân cận phân tử DNA, các phân tử nƣớc sẽ bị phân ly hình thành các gốc tự do, trực tiếp tác động gây tổn thƣơng phân tử DNA (Phạm Quốc Hùng, 2007; Bauchinger, 1983). Tế bào chứa khoảng 70-80% nƣớc và dƣới 1% DNA nên cơ chế gián tiếp có ý nghĩa nhất định đối với việc gây tổn thƣơng phân tử DNA. Đối với bức xạ LET thấp nhƣ tia gamma, tia X, electron thì tác dụng trực tiếp gây nên khoảng 1/3 tổng số các thƣơng tổn, phần còn lại là do hiệu ứng gián tiếp (Bauchinger, 1983).
Khả năng ion hóa các nguyên tử, phân tử của bức xạ ion hoá chính là điều khác biệt với các tác nhân không ion hóa, sự khác biệt này giải thích tại sao một lƣợng nhỏ năng lƣợng đƣợc hấp thụ bởi bức xạ ion hóa lại có thể gây nên một tác hại lớn hơn nhiều so với các tác nhân khác (Blakely, 2007).
Quá trình hóa học
Giai đoạn này diễn ra trong vòng từ 10–13 đến 10–2 giây, đƣợc bắt đầu bằng sự hình thành các gốc tự do từ sự thủy phân do bức xạ. Quá trình này xảy ra sau khi phân tử nƣớc hấp thụ năng lƣợng từ bức xạ, theo các giai đoạn sau:
H2O + γ → HOH+
+ e– H2O + e– → HOH –
Các ion HOH– và HOH+ không bền vững và có thể bị tách thành các phần tử nhỏ hơn: HOH+→ H+ + OH• và HOH– → HOH – + H•
OH• và H• đƣợc gọi là các gốc tự do (free radicals), đây là những phân tử trung hòa có một electron không ghép cặp ở vỏ ngoài cùng do đó chúng có hoạt tính hóa học rất mạnh. Đặc biệt gốc hydroxyl OH• với thời gian tồn tại 10-5 giây, là một tác nhân oxy hóa mạnh, có khả năng gây tổn thƣơng phân tử DNA trong phạm vi 3nm (Fenech, 1985).
Các gốc tự do cũng có thể tạo ra hydrogen peroxide H2O2, rất độc đối với TB. H2O2 có thể đƣợc hình thành do kết hợp hai gốc tự do OH•
(OH• + OH• → H2O2),
hay H• + O2 → HO2• và 2HO2• → H2O2 + O2 hoặc HO2• + H• → H2O2.
Một số phân tử hữu cơ khác (ký hiệu RH), có thể trở thành gốc tự do: RH + γ → RH• → H• + R•
Khi có oxy, một loại gốc tự do khác cũng hình thành nhƣ sau: R• + O2 → RO2
Dƣới tác động gây tổn thƣơng trực tiếp của các hạt bức xạ mang năng lƣợng hoặc gián tiếp qua các gốc tự do, những tổn thƣơng sơ cấp xuất hiện trên phân tử DNA. Những tổn thƣơng này bao gồm: đứt gẫy sợi đơn (SSB – single strand breaks), đứt gẫy sợi đôi (DSB - double strand breaks), tổn thƣơng base (BD - base damages) ở các mức độ khác nhau, đứt gẫy liên kết giữa DNA và protein… (Hình
trọng nhất đối với tác dụng của bức xạ ion hóa trên phân tử DNA là những đứt gẫy đôi phức tạp (Phạm Quốc Hùng, 2007; Blakely, 2007; Romm và cs, 2009).
Tổn thƣơng gốc đƣờng Đứt gãy sợi đơn Tổn thƣơng bazơ nitơ Liên kết chéo protein-DNA Liên kết chéo DNA-DNA Đứt gãy sợi đôi Đứt gãy sợi đôi
Hình 1.10. Các loại tổn thƣơng do tác động của bức xạ ion hóa trên DNA Quá trình sinh học
Giai đoạn này diễn ra từ 10–2 giây đến vài giờ. Đây là giai đoạn diễn ra quá trình sửa chữa những tổn thƣơng sơ cấp xuất hiện trên phân tử DNA. Những base bị tổn thƣơng đƣợc sửa sai bằng cơ chế cắt bỏ những base riêng lẻ (Base– Excision Repair) hoặc một đoạn oligonucleotide (Nucleotide– Excision Repair). Tổn thƣơng chuỗi đơn đƣợc sửa sai dựa vào trình tự của mạch bổ sung. Sửa chữa đứt gẫy đôi liên quan đến một số cơ chế: Hai đầu đứt gẫy có thể đƣợc nối lại mà không cần trình tự tƣơng đồng theo cơ chế NHEJ (Nonhomologous End Joining), hay dựa vào trình tự tƣơng đồng theo cơ chế HR (Homologous Recombination).
Những tổn thƣơng sơ cấp, đặc biệt là những tổn thƣơng đứt gẫy đôi cũng khởi phát một quá trình chuyển tín hiệu bằng cách sử dụng hoạt tính kinase của hệ thống enzyme tham gia vào quá trình đáp ứng của tế bào với tổn thƣơng xảy ra trên phân tử DNA theo các con đƣờng khác nhau, dẫn đến ngăn chặn sự phân bào ở các giai đoạn khác nhau của chu trình tế bào (IAEA, 2007; Obe và Beck, 1984; Wilding và cs, 2005).