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 ~ D 2 ) Hustě ionizují záření (účinek ~ D)
Radiolýza vody Ionizační potenciál vody - 12,56 ev HO HO + e 2 2 2 2 + e + HO HO H O H + OH 2 H O H + OH 2 + + ( ) [ ] HO+ hf ev HO H + OH 7 2 2 2 2 2 H + O HO 1 2 2 2 + 2 HO H O O + 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 2 MH + H MH MH + OH MHOH MH + H M + H MH + OH M + H O 2 2 + 2 2 2 + + + 2 2 M O MO MO XH MOOH X X O XO
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 N 0 kd N/N 0 frakce původních molekul = e kde k = 1/ D 37
Kinetika inaktivace pro ozařování ve -- extrapolace z počáteční lineární části N/N 0 : frakce původních molekul D 0 : dávka, při které jsou všechny rozpuštěné molekuly přeměněny zředěných roztocích
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 N e k kd = = 1 D 0 37
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 + O BO 2 2 vychytává elektrony 2 2 e + O O
v suchém materiálu zabraňuje restituci poškozených molekul + BH + e BH B + H BH
Kyslík ve vodných roztocích O 2 reaguje s vodíkovými radikály a hydratovanými elektrony minimální nebo žádné poškození ochranný efekt - reakce s radikály vody zesílení účinků záření - O 2 brání možným opravám
DŮSLEDKY ZÁŘENÍ PRO BUŇKY A ORGANISMUS Smrt buňky - klidové stádium (10 2 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 GC CG CG AT - tranzice AT GC TA CG GC AT CG TA - adice - delece
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 ( 3 H) smrtící účinek je v ionizačním poškození způsobeném částicemi β Rozpad 14 C biochemické změny v molekule DNA po rozpadu 14 C (zpětný ráz excitační energie) Rozpad 35 S inkorporace do proteinu 35 S Cl + X + T He + e + X 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 1 14 1 N+ n C+ 7 0 6 1 p 12 až 30 km, přibližně 1 částice/s v 1 cm 3 Biosféra - 98,89 % 12 C, malé množství 13 C poločasem rozpadu 5730 let 14 C/ 12 C je vždy 1:10 13
I t = I exp 0,693 0 5730 I měrná aktivita uhlíku ve vzorku I 0 měrná aktivita uhlíku v době ukončení látkové výměny t stáří vzorku
Schéma pro měření 14 C kapalnou scintilací
Závislost čirosti měřeného vzorku na koncentraci alkoholu a množství toluenu (dioxinu) v scintilačním médiu