Radiobiologický účinek záření
Helena Uhrová
Fáze účinku
fyzikální fyzikálně chemická chemická biologická
Fyzikální fáze
Přenos energie na e Excitace molekul, ionizace Doba trvání 10-16- 10-13 s
Fyzikálně-chemická fáze
Tvorba sekundárních reaktivních molekul či atomů (např. z vody - kationty H+ a anionty OH-) spontánní přesmyk excitované molekuly či kolize v bezprostřední blízkosti excitované molekuly. Délka trvání této fáze je cca 10-14- 10-10 s.
Chemická fáze
dosažena tepelná rovnováha reakce radikálů - vzájemné - s okolím atak molekul DNA, RNA, enzymů a proteinů – radiačně změněné molekuly zlom jednoho nebo obou vláken DNA vznik atypických vazbových můstků uvnitř dvojšroubovice DNA ve vodném systému trvá fáze od 10-6 s až jednotky s
Biologická fáze
Zeslabení účinků Zesílení účinků v rámci metabolismu - změny funkční - změny morfologické Doba trvání - desítky minut - léta
Účinky záření Přímé - zásahová teorie Nepřímé - radikálová teorie - závisí na hustotě ionizace v kritickém místě - nutná kritická hodnota lokální hustoty energie v daném místě a čase Řídce ionizují záření (účinek ~ D2) Hustě ionizují záření (účinek ~ D)
Radiolýza vody Ionizační potenciál vody - 12,56 eV +
H 2O → H 2O + e −
e + H 2O → H 2O
−
H 2O + → H + + OH • −
•
H 2O → H + OH
−
−
H 2O + h f( 7eV ) → [ H 2O ] → H + OH ∗
•
H + O2 → HO2 •
+
•
2 HO2 → H 2O2 + O2
1
na pH jsou reakce závislé pouze pod pH 3 a nad pH 10
•
Reakce organických látek ve vodě
Reakcí radikálů vznikají sekundární radikály řetězová reakce - vysoký kvantový výtěžek reakce končí zánikem radikálů Molekuly reagují s radikály snadněji při vysoké reaktivitě, koncentraci a velikosti radikálu i molekuly MH + H • → MH 2
•
•
MH + OH → MHOH •
•
•
MH + H → M + H 2 •
•
MH + OH → M + H 2O
M • + O2 → MO2 •
•
MO2 + XH → MOOH + X • X • + O2 → XO2
•
Kinetika nepřímého účinku záření Předpoklad - radikály neinteragují navzájem - počet vzniklých radikálů je úměrný dávce 1. Radikály vody reagují s danou molekulou pouze 1x - další reakce není možná – počet poškozených molekul roste lineárně s rostoucí dávkou k – velikost biologického terče D - dávka
N/N0 – frakce původních molekul
N − kD = e= kde k 1/ D37 N0
Kinetika inaktivace pro ozařování ve zředěných roztocích
-- extrapolace z počáteční lineární části N/N0: frakce původních molekul D0: dávka, při které jsou všechny rozpuštěné molekuly přeměněny
Kinetika inaktivace pro ozařování ve zředěných roztocích 2. Radikály reagují nahodile s rozpuštěnými molekulami - původními i zreagovanými se stejnou pravděpodobností v biologických systémech v přítomnosti biopolymerů
N 1 − kD k = e= N0 D37
Nepřímý účinek v buňkách
radikály - vznik uvnitř buněk – radiační citlivost závisí na obsahu vody vliv atomárního H na suchý materiál MH → ( hf ) → M • + H • RCOOH + H • → RCOO • + H 2
uvolňování vodíku bylo prokázáno u suché DNA, cukrů, aminokyselin, bílkovin a bází NA vodík aduje na dvojné vazby molekul sekundární radikály se tvoří odtržením vodíku
a) buňky E.coli vlhké b) sušené 90 min c) sušené 24 a 48 h
Citlivost k ozáření
Klesá s teplotou zmrazení zmenší citlivost vodného roztoku 100x radiační poškození vzniká i pod bodem tuhnutí
Kyslíkový efekt
zvýšení citlivosti hlavně k ionizujícímu záření paramagnetické vlastnosti kyslíku - vysoká afinita k radiačně indukovaným radikálům • • B + O2 → BO2 „vychytává“ elektrony −
− 2
e + O2 → O
v suchém materiálu zabraňuje restituci poškozených molekul +
−
BH + e → BH •
•
B + H → BH
Kyslík ve vodných roztocích
O2 reaguje s vodíkovými radikály a hydratovanými elektrony – minimální nebo žádné poškození ochranný efekt - reakce s radikály vody zesílení účinků záření - O2 brání možným opravám
DŮSLEDKY ZÁŘENÍ PRO BUŇKY A ORGANISMUS
Smrt buňky - klidové stádium (102 Gy) - mitoza (jednotky Gy) Mutace – somatické – gametické D
MUTACE VLIVEM ZÁŘENÍ
Ionizační záření - závislost mezi dávkou záření a mutagenním účinkem je v určité oblasti přibližně lineární
D
UV záření (350 – 14 nm) - existuje optimální dávka, při níž je mutagenní efekt největší
thyminové dimery počet přežívajících buněk je nepřímo úměrný jejich obsahu
UV záření -
dimery cytosinu – deaminace – dimetyluracil
- působí i na uracilové zbytky RNA
Přežívání buněk mikroorganismů a vznik mutantů v závislosti na době působení UV záření
Molekulární základy mutageneze Genové mutace Bodové mutace
a) ÚPLNÁ ZTRÁTA KOMPLEMENTARITY b) MODIFIKACE
MODIFIKACE - transverze AT→ TA → CG
GC → CG → AT
- tranzice
TA → CG CG → TA
- adice - delece
AT → GC GC → AT
Chromosomové mutace
Genomové mutace -
dědičné změny počtu chromozomů nebo jejich sad
Podmínka pro přežití buněk – nesmí být zasaženo jádro
Mutagenní a letální účinky
DNA membránové struktury regulace dějů buněčného cyklu
Okamžitá smrt 10 – 100 krad – nefunguje regulace a koordinace Nemoc z ozáření – kostní dřeň a epitel tenkého střeva
Citlivost buněk a tkání
nízké dávky – porucha krvetvorby – smrt za 20 – 60 dní vyšší dávky - porucha gastrointestinálního traktu – smrt za 10 dní – projevuje se poruchou resorpce vody, živin a rovnováhy iontů supraletální dávky – zasažena centrální nervová soustava - okamžitá smrt
Poškození buněčné DNA
poškození bází přetržení 1pentlicové DNA přetržení 2 vláknové DNA příčné vazby DNA-DNA (cross links) příčné spojení DNA – bílkovina (na opravu není mechanismus)
OPRAVY BUNĚČNÉ DNA
Enzymy
Fotoreaktivace
Reaktivace ve tmě
Opravy tkání a orgánů
závisí na rychlosti množení přežívajících buněk na rychlosti uvolňování a přemisťování nových buněk do poškozenější oblasti rychlosti oprav na úrovni buněk
Opravné mechanizmy vícebuněčných organizmů
závisí na hustotě ionizace uvnitř organizmu v závislosti na čase rozložení hustoty ionizace uvnitř organizmu na individuální radiorezistenci druhu organizmu
Obranné principy
povrchové necitlivé vrstvy, bránící průniku záření (srst, peří) u vyšších organismů pigmentace eliminace poškození způsobeného zářením (zapouzdření)
Účinek radioprotektiv
Kompetitivní protekce - soutěž s biomolekulami o difusibilní radikály
Závisí: - na koncentraci obou soutěžících molekul - na reakčních konstantách pro reakci s danými radikály
Účinek radioprotektiv
Restituční protekce - ochranná látka nemění počet primárních poškození - poškozené místo reaguje s ochrannou látkou - nastolen původní stav
Vliv rozpadu radioizotopu inkorporovaného do organizmu 1) interakce s hmotou 2) přeměna v dceřiný atom způsobuje: - chemickou změnu nuklidu v okamžiku rozpadu - elektronickou excitaci způsobenou náhlou změnou rozpadajícího se jádra - zpětný náraz rozpadávajícího se jádra
Rozpad T (3H) – smrtící účinek je v ionizačním poškození způsobeném částicemi β −
X + T → He + e + X
+
Rozpad 14C – biochemické změny v molekule DNA po rozpadu 14C (zpětný ráz excitační energie) Rozpad 35S → inkorporace do proteinu 35S → Cl Rozpad 32P P→S cukerné diestery
Způsoby ochrany před zářením
čas
vzdálenost – manipulátory, pinzety
stínění
bránění kontaminaci – vnější – vnitřní
RADIOMETRICKÁ ANALÝZA
Libby a spol. - 1947 14 7
N+ n→ 1 0
14 6
C+ p 1 1
12 až 30 km, přibližně 1 částice/s v 1 cm3 Biosféra - 98,89 % 12C, malé množství 13C poločasem rozpadu 5730 let 14C/12C je vždy 1:1013
t I = I 0 exp − 0,693 5730
I – měrná aktivita uhlíku ve vzorku I0 – měrná aktivita uhlíku v době ukončení
látkové výměny t – stáří vzorku
Schéma pro měření
14C
kapalnou scintilací
Závislost čirosti měřeného vzorku na koncentraci alkoholu a množství toluenu (dioxinu) v scintilačním médiu
