Ионизирующее излучение включает альфа-частицы, бета-частицы, гамма-излучение, нейтронное и рентгеновское излучение. Альфа-частицы представляют собой ядра гелия, обладающие высокой массой и положительным зарядом, что обеспечивает сильное ионизирующее действие при ограниченной проникающей способности (несколько сантиметров в воздухе, неспособны проходить через бумагу). Бета-частицы — электроны или позитроны с меньшей массой и большей проникающей способностью, способны проходить через ткани до нескольких миллиметров или сантиметров в зависимости от энергии. Гамма-излучение и рентгеновские лучи — электромагнитные волны высокой энергии, характеризуются значительной проникающей способностью и слабой ионизационной способностью на единицу длины пути. Нейтроны не имеют заряда, обладают высокой проникающей способностью, взаимодействуют преимущественно с ядрами атомов, вызывая ядерные реакции и образование вторичных излучений.
Ионизирующее излучение вызывает прямое и косвенное воздействие на молекулы.
ДНК является главным мишеневым объектом излучения. Разрушение двойной спирали может привести к одно- и двухцепочечным разрывам, образованию аддуктов и межцепочечных сшивок. Повреждения ДНК могут быть репарированы клеткой, однако при высоких дозах или множественных разрывах происходит апоптоз или мутагенез.
Белки подвергаются денатурации, окислительной модификации боковых цепей аминокислот и нарушению третичной структуры, что снижает активность ферментов и структурных белков.
Липиды мембран клеток окисляются, что нарушает проницаемость и целостность мембран, усиливая цитотоксическое действие излучения.
Органеллы особенно чувствительны митохондрии, где радиация вызывает снижение синтеза АТФ и образование реактивных форм кислорода.
Эффект излучения определяется типом излучения, энергией частиц, дозой и временем экспозиции.
Радиационные химические процессы включают ионные реакции, радикальные цепные процессы и образование промежуточных продуктов.
Спектроскопия и хроматография позволяют выявлять химические изменения молекул и продукты радиолиза. Электронная микроскопия и конфокальная микроскопия дают представление о морфологических изменениях клеток и органелл. Методы молекулярной биологии (ПЦР, секвенирование) применяются для анализа повреждений ДНК и мутаций. Моделирование и радиохимические расчёты помогают прогнозировать распределение дозы и вероятные химические эффекты на молекулярном уровне.
Понимание механизмов взаимодействия излучения с молекулами и клетками является фундаментальным для радиотерапии, радиационной защиты, космической медицины и радиобиологии. Контроль дозы и типа излучения позволяет минимизировать вредные эффекты для нормальных тканей, а использование радиомаркеров и радиофармацевтических препаратов обеспечивает селективное воздействие на патологические структуры.
Эти механизмы также лежат в основе радиохимических технологий в биологии, таких как изучение биохимических путей с помощью меченых изотопов и оценка стабильности биомолекул при облучении.