9. Radiační biofyzika o interakce ionizujícího záření s hmotou Radioaktivita je spontánní emise zářeni z atomového jádra spojena s jeho přeměnou, je důsledkem snížené stability, nebo excitovaného stavu atomových jader. Zdroje ionizujícího záření přírodní: kosmické = galaktické + sluneční, terestriální-z velké části rozpadové řady umělé = antorpogenní: rentgenové lampy, reaktory, urychlovače, terapeutické ozařovače V přírodě se setkáváme s 3 druhy radioaktivního rozpadu-alfa, beta, gama (rozpadem se rozumí přeměna prvku na jiné prvky a s ním spojena emise záření) Rozlišujeme radioaktivitu přirozenou a umelou: Přirozená - přirozeně vyskytující se radioaktivní prvky vznikají převážně rozpadem těžkých atomových jader. Na přírodní radioaktivitě pocházející ze zemských hornin se nejvíc podílejí isotopy rozpadových rad-uranové (atomová hmotnost isotopu se dá vyjádřit 4n+2) a thóriové (atomová hmotnost isotopu se dá vyjádřit 4n) Umělá-je důsledkem navozené interakce stabilních atomových jader s částicemi, které jsou emitovány přirozeně radioaktivními prvky, nebo častěji, s částicemi emitovanými, nebo urychlovanými (jaderní reaktor, urychlovače). Umělou rozpadovou radou je aktiniová (atomová hmotnost isotopu se dá vyjádřit 4n+3) Radioaktivní prvky tedy vyzařují různé druhy částic: fotony (gama), elektrony, pozitrony (beta-částice), héliová jádra (alfa-částice) či neutrony, některé radioaktivní prvky/radionuklidy-protony a deuterony(jádra těžkého vodíku), při jaderných rozpadech i neutrina, či antineutrony. Radioaktivita na stochastický/pravděpodobnostní charakter. Všechny uvedené záření (alfa, beta, gama) jsou ionizující. t.j. v látkové prostředí vyvolávají tvorbu elektricky nabitých částic, iontů. Ionizující záření z jader radioaktivních prvků je označované jako jaderné. Nejaderné záření vzniká v elektronovém obalu-rentgenovém, nebo v urychlovačích elektricky nabitých částic. (elektronů, protonů, deuteronů či těžkých iontů). Elektricky nabité částice tvoří záření přímo ionizující, elektricky neutrální záření nepřímo ionizující. Alfa-rozpad - je spontánní emise alfa-částic = svazek rychle letících jader helia (jádro helia obsahuje 2 nukleony = 2protony + 2neutrony, hmotnost částice je 4x1.67x10-27 )(jádro emitující alfa-částice zmenší své atomové číslo o 2 a nukleonové číslo o 4). Energie alfa-záření nabývá pouze diskrétních hodnot(4-7mev, mluvíme o tzv. čárovém spektru). Alfa-záření je málo pronikavémožné odstínit listem papíru. V tkáni má doběh jenom několik mikrometrů. Ztráty energie při průchodu hmotou lze popsat pomocí Bethe-Blochovi formule. Alfa-částice ztrácejí energií ionizacemi a excitacemi. Dolet závisí na počáteční energii a materiálu. U tohoto záření není nebezpečné extrémní ozáření, spíše vnitřní kontaminace (v organizmu). Čím vyšší energie, tím je kratší poločas rozpadu. (napr. 5.1MeV -> 24.tis let) Vzhledem na vysokou rychlost alfačástic emitovaných z jádra a vysokou hmotnost, musí se u emitujících jader projevit tzv. zpětný raz (zákon zachováni hybnosti) Jádro pak samo získává dostatečně vysokou energii k tomu, aby vyvolávalo podél své dráhy ionizaci. Se zpětným rázem se setkáváme i u beta rozpadu, je však podstatně slabší, protože emitovaný elektron/pozitron má podstatně menší hybnost než alfa-částice. Beta-rozpad Při beta-rozpadu je jádrem vyzářen elektron nebo pozitron. Řadíme sem případ, kdy dojde k záchytu elektronu jádrem. Emise, nebo záchyt elektronu či pozitronu jsou jevy spojené s izobarickou transformací: Beta - rozpad n p + e - + elektronové antineutrino Beta + rozpad p n + e + + elektronové neutrino Elektronový záchyt p + e - n + elektronové neutrino Přesto, ze se celková uvolněná energie určená energetickými hladinami v jádře, rozdělí se neutron na 3 částice a každá z nich pak může obnášet libovolnou energii (jde o spojité
spektrum). Neutino a antineutrino jsou části extrémně lehké, bez elektrického náboje a jen velmi slabě interagující s látkou. Jejich účast na beta-rozpadech byla předpovězena na základe zákona zachování energie. Pozitron (při rozpadu velmi rychle interaguje s některým elektronem, dochází k anihilaci a vzniku dvou kvant záření gama). Při elektronovém záchytu je jádrem zachycen elektron z vnitřnější vrstvy elektronového obalu. Beta-záření je pronikavější jako alfa. K jeho odstínění je zapotřebí tlustší vrstva, napr. 8-10mm plexiskla. Beta-záření ztrácí energie v prostředí rovněž ionizací a excitací atomů a molekul (pro výpočet se taky užívá Behte-Blochava rovnice). Při průchodu elektronů hmotným prostředím, dochází často k rozptylu elektronů a jeho dráha je značně klikatá. Elektrony mohou ztrácet také emisí tzv. brzdného záření, jehož výtěžek závisí na energii elektronu a na atomovém čísle prostředí. Kladně nabité pozitrony jsou částice k elektornům a po zabrzdění v látkovém prstředí proto dochází k anihilaci pozitronu s elektonem-vzniklé záření se nazýva anihilační (511 kev) Pozitron formuje v přítomnosti elektronu exotický atom, tzv. positronium (atom positronia je velmi podobny atomu vodíka, ale má 1000x menší hmotnost.) Jeho zvláštností je, že s určitou pravděpodobností dochází k jeho anihilaci, kdy celá klidová hmotnost obou částic je mění na energii fotonů. Doba života je ~ns. (používá se na studium materiálů,velikosti pórů. Obr. 27 na straně 12, v Kozubekovych skriptách) Gama rozpad-je rozpad, kdy je z jádra vyzářeno kvantum elektromagnetického záření- foton. K jevu může dojít, má-li jádro nadbytek energie ve srovnání se základným stavem.(nadbytečná energie může mít různé důvody: emise jiného druhu, interakce jádra s jinou částicí). Rozpad gama může vzniknout tzv. vnitřní konverzí záření. (foton záření gama po opuštění jádra vyrazí z některé vnitřní vrstvy elektronového obalu elektron a při tom zcela zanikne) Vyražené elektrony, které mají velikou energii a ionizační schopnost se nazývají Augerovy elektony proces je analogii fotoelektrického jevu. Emise elektronů je nesledována přeskoky elektronů z vnějších vrstev na uvolněné místo, které jsou doprovázeny emisí charakteristického RTG-záření. strana 20-27 (Mornstein)
o o o dávka a dávkový ekvivalent rizika a ochrana před ionizujícím zářením přímé a nepřímé účinky záření, strana 214-218 (Mornstein)
o bodové mutace Darwinova evoluční teorie je založena na principu přírodního výběru ze spontánní dědičné variability fenotypů. V neodarwinistickém pojetí je vznik této variability důsledkem akumulace náhodných drobných mutací. Průměrná rychlost vzniku mutací jako spontánního replikačního šumu odpovídá v případě E. coli přibližně 10-3 mutacím na genom a generaci, tedy přibližně 10-10 mutacím na jeden pár bází (nebo 10-7 na gen) a jednu replikaci genomu. V případě eukaryontního genomu, např. genomu octomilky (Drosophila melanogaster), se odhaduje, že průměrná rychlost vzniku replikačních chyb je pro různé lokusy v rozmezí 10-10 - 10-11 na jeden pár bází a jednu replikaci. Odhad těchto hodnot ovšem odpovídá podmínkám, kdy v buňkách působí genetické opravné procesy (replikační proof-reading ), které opraví většinu replikačních chyb. V případě prapůvodních primitivních replikátorů byly hodnoty mutačního šumu nepochybně mnohem vyšší a v důsledcích limitovaly i velikost genomů. Evolučním reliktem je patrně enzym primáza, který při replikaci DNA a polymeraci zpožďujícího se řetězce kopíruje sekvence templátu do RNA Okazakiho fragmentů (replikačních primerů). Tato etapa replikace je zdrojem vysoké hladiny mutačního šumu, který musí být v zápětí opraven spolehlivou ( high-fidelity) DNA polymerázou. Genetikům i darwinistům první poloviny 20. století připadalo samozřejmé, že jednotlivé mutace jsou v genech rozptýleny náhodně. Dnes ale víme, že frekvenci i distribuci genetických změn ovlivňuje lokální struktura genomu a, jak dále uvidíme, vnitřní omezení daná funkční integritou organismu. Komplementarita vláken dvoušrobovice DNA je výsledkem specifických interakcí bází, které zprostředkují vodíkové vazby. Páry čtyř základních bází DNA mohou existovat ve 12 možných substitucích. Bodové mutace (mutace postihující jen jeden nukleotidový pár), podle typu a mechanizmu vzniku existují dvě kategorie, tranzice a transverze. Důsledkem přesunu protonů v rámci dané báze nebo v důsledku ionizace báze může dojít k její tautomerizaci. (tautomeri se rozlišují v poloze jedné skupiny a poloze jedné dvojné vazby) Tím se změní i podmínky pro tvorbu vodíkových můstků. Vznikají tak možnosti nekanonického párování adeninu s cytosinem a guaninu a thyminem. Tímto způsobem vznikají čtyři typy tranzic při zachování původního párování purinů s pyrimidiny. Výskyt tranzic není náhodný. Pravděpodobnost tautomerie pro vznik páru A-C je jiná než pro vznik páru G-T,
protože závisí na lokálních kvantových stavech, specifických pro každou z bází. Faktorem ovlivňujícím tautomerizaci může být integrace neobvyklé báze (např. bromuracilu místo thyminu s chybným párováním BrU-G), působení chemických mutagenů (např. deaminace 5-metylcytosinu v tymin, nebo deaminace adeninu v hypoxantin), či ionizace způsobená absorpcí kvanta záření. Příčinou osmi různých transverzí je chybné párování purinpurin nebo pyrimidin-pyrimidin. Tím dojde k obrácení páru tak, že purin je zaměněn pyrimidinem a naopak. Vznik transverzí nelze snadno zobrazit jednotným mechanizmem jako v případě tranzic. K transverzím může dojít chybným párováním základních bází, chybným párováním s neobvyklou nebo chemicky modifikovanou bází, v důsledku ztráty báze, např. depurinací DNA nebo deaminační konverzí cytosinu v uracil s následnou jeho excisí uracil-n-glykosylasou (kdy se zvyšuje pravděpodobnost transverze C-G > A-T nebo G-C). Rozložení transverzí, podobně jako rozložení tranzic, je v genomu nenáhodné. Můžeme tedy shrnout: již na základní úrovni, kterou je sekvence bází v DNA, se distribuce mutací neřídí statistikou náhodných jevů jak předpokládá neodarvinistické schéma. Až dosud jsme uvažovali mutace bází DNA jen z chemického hlediska, tj. bez ohledu na sémantický význam jejích částí. Nyní budeme uvažovat vliv těch faktorů, které rozhodují o stabilitě a funkčnosti biologického systému jako celku, vycházejíce z vlastností tripletového genetického kódu. Genetický kód je degenerovaný (redundantní), 64 ( = 4 3 ) možným tripletovým kodonům odpovídá 61 kodonů pro 20 aminokyselin a tři tzv. terminační triplety (UAA, UAG, UGA). Je tedy zřejmé že se mutace v jednotlivých kodonech budou lišit konečným účinkem, v závislosti na poloze a významu kodonu. nesmyslné (nonsense) mutace Mutace, které změní kodon pro některou z aminokyselin (např. UAC pro tyrosin) v terminační kodon (zde transverze UAC -> UAA, nebo UAC -> UAG) mají zpravidla fatální důsledky, protože nedovolují dokončit syntézu funkční bílkoviny, tj. zcela zruší smysl genetické zprávy; Missense Většina mutací sice smysl zprávy nezruší, ale změní její obsah; důsledkem jsou více nebo méně přijatelné záměny aminokyselin v molekule bílkoviny. skryté (silent) Jiné mutace, zaměňující kodony v rámci redundance genetického kódu, záměny aminokyselin nevyvolají, mohou však výrazně ovlivnit účinnost syntézy dané bílkoviny na úrovni výběru alternativní t-rna. Mutace v genech pro t-rna i když přímo nepostihují kodony, mohou způsobit jejich nejednoznačnou interpretaci. Vidíme, že vlastnosti genetického
kódu se zpětnou vazbou, kterou je životaschopnost organizmu, připustí pouze některá rozložení mutací v genech. Reálné hodnoty frekvence mutací se významně liší od výše uvedených průměrných hodnot v závislosti na místě v genomu a mohou se ve dvou sousedních lokusech lišit o několik řádů. Detekce bodových mutacií- Přímá mutace - dochází ke ztrátě funkčního proteinu v důsledku změny genetického kódu zpětná (reverzní) mutace - buňka, v níž tato reverzní mutace proběhla (tzv. revertant), získá schopnost syntetizovat příslušnou aminokyselinu. Mutace lze detekovat na vhodných půdách dvěma způsoby: Zvýraznění/odbarvení mutovaných buněk (při malém množství mutací)u zpětných mutacích se požívají půdy, na kterých původní buňky nerostou. (napr. Bakterie s defektem pro tvorbu histidinu) o radiolýza vody & přímé a nepřímé účinky záření Energie vydělená částicemi hmotě se většinou mění na kinetickou energii elektronů, které vytváří klastry ionizací a excitací. Po předání energie se začínají ovíjet fyzikálnochemické procesy spočívající v interakcích radikálů a jejich další přeměně. (buňky a tkáně obsahuji z velké části vodu) Radiolýza vody vede k vzniku radikálů, které jsou dále reaktivní a produkují další silné reaktivní produkty schopné vyvolávat oxidační poškození. Účinek záření na biologické molekuly umístněné ve vodních prostředích je obvykle podstatně vyšší v přítomnosti kyslíku než v anaerobních podmínkách. Hydratovaný elektron-vznik stabilizovaného elektronu ve vodě. Volný elektron (tzv. suchý) radově několik ns. Z chemického hladiska je hydratovaný elektron anionem k H atomu: e - + H + H. (H s tečkou - radikál) Je nejsilnějším redukčním činidlem. Struktura vytvořená kolem hydratovaného elektronu vytváří kladný elektrický nábojmůže nabýt (z kvantového hlediska) určitých energetických stavů-podobně jako atom vodíku, může být excitován, může pohcovat světlo. Primární interakce záření s vodou vedou ke vzniku ionizované vody (H 2 O + ), excitovaných molekul vody (H 2 O * ) a rychlých elektronů.
V čisté vodě ozářené řídce ionizujícím zářením prakticky nenastává dekompozice, neboť radikáli reagují s molekulárními produkty za vzniku vody. V přítomnosti kyslíku vzniká určité množství peroxidu. Po vytvoření počáteční produktů (po 10-11 s) začíná chemické stádium účinku. Hydratovaný elektron reaguje s ionty(cd 2+, Cu +, Fe 2+ ), nenasycenými alifatickými sloučeninami, halogenovými uhlovodíky (chloroform), aromatickými sloučeninami, sloučeninami obsahujícími síru a s bázemi nukleových kyselin. OH. -reaguje rychle s oxidovatelnými (Br - ), s alkoholy, akrylamidem, formiátem, pyridiny, benzenem, fenolem, se sloučeninami obsahujícími síru a aromatickými aminokyselinami, ribósou, tymiánem, uracilem, glukósou Produkty hydrolýzy jsou velmi reaktivní radikály. Proto je zřejmé, že u látek rozpuštěných ve vede bude působící účinek dvojí: Přímý účinek poškození molekuly dané látky- frakce je daná dávkou, nezávisí na koncentraci Nepřímý účinek působení radikálů - radikály se vychytávají na přítomné látce a čím bude její koncentrace nižší (látky), tím více jich (radikálů) připadne na jednu molekulu, účinek bude větší. Proto frakce inaktivovaných molekul látky v důsledku nepřímého účinku zářeni roste s klesající koncentraci látky. [1] I. Hrazdira and V. Mornstein Lekarska biofyzika a pristrojova technika, NEPTUN, Brno, 2004. [2] http://www.biology.estranky.cz/clanky/genetika/mutace-aevolucni-zmeny [3] S. Kozubek, skripta- Základy radiační biofyziky