ΜΑΘΗΜΑ: ΡΑΔΙΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΘΕΜΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΙΟΝΤΙΖΟΥΣΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ΖΩΝΤΕΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ

ΜΑΘΗΜΑ: ΡΑΔΙΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΘΕΜΑ: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΙΟΝΤΙΖΟΥΣΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ΖΩΝΤΕΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ

ΠΗΓΕΣ ΕΚΘΕΣΕΩΣ ΣΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Σύμφωνα με την United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR, 2008) το κοινό εκτίθεται σε ακτινοβολία προερχόμενη από φυσικές και τεχνητές πηγές ως εξής: τροφή-νερό 9,56% Ιατρική έκθεση 19,79% Ραδόνιο 41,55% (εσωτερική φυσική έκθεση) Κοσμική ακτινοβολία 12,86% Γήινη ακτινοβολία-γ 15,85% (εξωτερική φυσική έκθεση)

ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΚΘΕΣΕΩΣ ΣΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Οι φυσικές πηγές ακτινοβολίας (~80%) στις οποίες εκτίθενται καθημερινά οι άνθρωποι είναι κυρίως το φυσικό υπόστρωμα (normal background) οφειλόμενο σε: Υλικά οικοδομών Τροφή Κοσμική ακτινοβολία (Πρωτόνια, μεσόνια κ.λπ.) 40 Κ 14 C 226 Ra 222 Rn 210 Pb Γήινος φλοιός 1. Κοσμική ακτινοβολία (~13%) (πρωτόνια υψηλής ενέργειας από ήλιο και διάστημαεξωτερική ακτινοβόληση) 2. Φυσικά ραδιονουκλίδια που είναι συστατικά της γης και κατά συνέπεια των υλικών οικοδομών, του σώματός μας και των τροφών (ραδόνιο ~42%, ακτ. -γ ~16%, εσωτ. έκθεση ~10%) Η μέση ετήσια δόση (παγκόσμιος μέσος όρος) από φυσική ακτινοβολία είναι περίπου 2,40 msv/y

Τα Φυσικά Ραδιονουκλίδια χωρίζονται σε: 1) Ραδιονουκλίδια κοσμογονικής προέλευσης Βρίσκονται σε: φλοιό Γης, οικοδομικά υλικά, αέρα, νερό, τροφές, ανθρώπινο σώμα (π.χ. 40 Κ). Διακρίνονται σε : (α) Αυτά με Α 82, (π.χ. 40 Κ, 87 Rb, 115 In), και (β) Αυτά με Α 82 που κατατάσσονται σε 3 φυσικές ραδιενεργές σειρές : Σειρά του θορίου: Μητρικό νουκλίδιο το 232 Th Σειρά του ουρανίου: Μητρικό νουκλίδιο το 238 U Σειρά του ακτινίου: Μητρικό νουκλίδιο το 235 U 2) Ραδιονουκλίδια μη κοσμογονικής προέλευσης [π.χ. 14 C, 3 H, παραγόμενα από πυρηνικές αντιδράσεις της κοσμικής ακτινοβολίας με συστατικά της ατμόσφαιρας (Ν 2, Ο 2 )].

Πώς δημιουργούνται τα φυσικά ραδιονουκλίδια μη κοσμογονικής προέλευσης: Τα κοσμικά πρωτόνια αντιδρούν με τα άτομα της ατμόσφαιρας και παράγουν κατά μέσο όρο 2,4 νετρόνια/s.cm 2 της επιφάνειας της γης: 1 p + 16 O 16 F + 1 n 1 p + 14 N 16 O + 1 n 1) Τα θερμικά νετρόνια (Ε~ 0.025 ev) απορροφούνται από το άζωτο της ατμόσφαιρας: 1 n + 14 N 14 C + 1 p 2) Τα υψηλής ενέργειας νετρόνια αντιδρούν διαφορετικά με το άζωτο της ατμόσφαιρας: 1 n + 14 N 12 C + 3 H 1 n + 14 N 12 B + 3 He

0,16% 20% 0,16% ΤΕΧΝΗΤΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΚΘΕΣΕΩΣ ΣΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Από τεχνητές (ανθρωπογενείς) πηγές δεχόμαστε ~0,45 msv/y κυρίως από: 1) Ιατρικές πράξεις (π.χ. τυπική ακτινογραφία θώρακος = ~ 0,36 msv). 2) Ραδιενεργό επίπτωση (κυρίως 14 C, 95 Zr, 90 Sr, 137 Cs) 3) Επαγγελματική έκθεση 4) Λειτουργία πυρηνικών αντιδραστήρων ( 85 Kr) Οι ποσότητες αυτές δεν είναι βλαβερές για τον άνθρωπο.

Oh yeah...that will help... Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι πολύ διεισδυτική!

ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Όμως, ήδη από την εποχή των πρώτων ερευνών για την ακτινοβολία ορισμένων στοιχείων αναγνωρίσθηκε η επικινδυνότητά αυτής για την ανθρώπινη υγεία. Η Marie Sklodowska Curie (1867-1934) στο εργαστήριό της (Νόμπελ 1903, 1911) Ο θάνατος της Marie Sklodowska Curie το 1934 από μια ασθένεια του μυελού των οστών πιθανόν να οφείλεται στη μακρόχρονη έκθεσή της σε ακτινοβολία.

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΙ ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΡΑΔΙΟΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Το αποτέλεσμα της επίδρασης ιοντιζουσών ακτινοβολιών σε ζώντες οργανισμούς είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης αυτών με χημικά άτομα. Δηλαδή πρόκληση ιοντισμών και διεγέρσεων σε ηλεκτρόνια κινούμενα σε καθορισμένα τροχιακά και παραγωγή ιόντων, ηλεκτρονίων, διεγερμένων ατόμων και ελευθέρων ριζών (ενεργά είδη). Έτσι ενέργεια αποθηκεύεται τοπικά με πιθανότητα βλάβης των εμπλεκομένων μορίων (και βιομορίων). Η σοβαρότητα της βλάβης εξαρτάται από τη σπουδαιότητα των μορίων αυτών για τα κύτταρα και κατά συνέπεια για τους ιστούς, τέλος δε για όλον τον οργανισμό. Όμως, οι βιολογικές επιπτώσεις των ακτινοβολιών προκύπτουν διαμέσου μεταβολών ή καταστροφών που αυτές επιφέρουν κυρίως στο DNA των κυττάρων, δηλαδή στον πυρήνα αυτών!!!

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΙΟΝΤΙΖΟΥΣΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ΒΙΟΜΟΡΙΑ Στους ζώντες οργανισμούς συναντώνται μόρια: 1) Νερού (σε ποσοστό περίπου 80%) και 2) Οργανικά μακρομόρια όπως: Πρωτεΐνες (~15%), Λιπίδια (~2%), Υδατάνθρακες (~1%), Νουκλεϊνικά οξέα (~1%). Επίσης σε ενυπάρχουν και 3) Μόρια ανόργανων αλάτων και ορισμένα ιχνοστοιχεία (~ 1%) Έτσι, οι ιοντίζουσες ακτινοβολίες πιθανότερα αλληλεπιδρούν καταρχήν με μόρια νερού, και τα παραγόμενα ενεργά είδη προσβάλλουν άλλα βιομόρια (έμμεση δράση της ακτινοβολίας). Υπάρχει και η περίπτωση της κατευθείαν προσβολής βιομορίων από την ακτινοβολία (άμεση δράση της ακτινοβολίας).

Ραδιόλυση Ύδατος Σαν ραδιόλυση ύδατος, ορίζουμε τα φαινόμενα (φυσικά, χημικά και φυσικοχημικά) που παρατηρούνται μετά την έκθεσή του σε ιοντίζουσες ακτινοβολίες. Παρατηρούμε τρία στάδια κατά τη ραδιόλυση του ύδατος: 1) Το «Φυσικό στάδιο», διάρκειας ~ 10 13 sec όπου συμβαίνουν οι αντιδράσεις : Η 2 Ο Η 2 Ο + + e (ιοντισμός) (1) Η 2 Ο Η 2 Ο* (διέγερση) (2) 2) Το «Φυσικοχημικό στάδιο», όπου συμβαίνουν κυρίως τα εξής: Η 2 Ο* Η + ΗΟ (διάσπαση διεγερμένης κατάστασης) (3) Η 2 Ο + + Η 2 Ο Η 3 Ο + + ΗΟ (αντίδραση ιόντος με ουδέτερο μόριο) (4) e + n Η 2 Ο e (εφυδάτωση ηλεκτρονίου) (5) aq

Ραδιόλυση Ύδατος 3) Το «Χημικό στάδιο», όπου οι δραστικές ρίζες Η και ΗΟ αντιδρούν σχηματίζοντας σταθερά μόρια: Η + Η Η 2 (6) ΟΗ + Η Η 2 Ο (7) ΟΗ + ΟΗ Η 2 Ο 2 (8) Άρα η τελική ακτινοχημική εξίσωση κατά την ακτινοβόληση του ύδατος είναι: Η 2 Ο e aq, ΟΗ, Η, Η 2, Η 2 Ο 2, Η 3 Ο + (9) Τα προϊόντα ραδιόλυσης του ύδατος χωρίζονται σε: ΜΟΡΙΑΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ: Η 2, Η 2 Ο 2 ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΡΙΖΕΣ: e aq, ΟΗ, Η, Η 3 Ο + ΑΝΑΓΩΓΙΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ: e aq, Η, Η 2 ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ: ΟΗ, Η 2 Ο 2

Απόδοση Προϊόντων Ραδιόλυσης Υδατος Η διαδοχή και τα προϊόντα των αντιδράσεων όλων των σταδίων όπως και οι αποδόσεις αυτών (τιμές G(X) = αριθμός μορίων προϊόντος Χ που δημιουργήθηκαν και G( Ψ) τα μόρια αντιδρώντος υλικού που άλλαξαν ανά 100 ev απορροφούμενης ενέργειας) εξαρτώνται από: ΓΜΕ εισερχόμενης ακτινοβολίας Φύση και συγκέντρωση διαλυμένων στο ύδωρ ουσιών ph του διαλύματος π.χ. στο καθαρό νερό η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία παράγει e - aq, ΟΗ και Η σε αναλογία ~ 45%, 45% και 10% αντίστοιχα, ενώ για σωματίδια α και β τα ποσοστά αλλάζουν δραστικά. Οι αποδόσεις προσδιορίζονται πειραματικά σε αραιά διαλύματα και ισχύουν: 2G(Η 2 Ο 2 ) + G(ΟΗ ) = 2G(Η 2 ) + G(Η ) + G(e aq) G(- ΗΟ 2 ) = 2G(Η 2 Ο 2 ) + G(ΟΗ ) = 2G(Η 2 ) + G(Η ) + G(e aq) G(Η 3 Ο + ) = G(e aq)

Προϊόντα Ραδιόλυσης Υδατος παρουσία Οξυγόνου Κατά τη ραδιόλυση του νερού όταν είναι παρόν και οξυγόνο, (όπως ακριβώς συμβαίνει στους ζώντες ιστούς), εκτός των προαναφερθέντων συμβαίνουν κι άλλες αντιδράσεις : Η + Ο 2 ΗΟ 2 (σουπεροξείδιο του υδρογόνου) (10) e aq + Ο 2 Ο 2 (ανιόν σουπεροξειδίου) (11) και στη συνέχεια Ο 2 + Η 2 Ο ΗΟ 2 + Ο (12) ενώ ΗΟ 2 + ΗΟ 2 Η 2 Ο 2 + Ο 2 (13) Θεωρείται ότι η ρίζα ΗΟ 2 καθώς και το Η 2 Ο 2 είναι τα πιο βλαπτικά από όλα τα προϊόντα που έπονται της ραδιολύσεως του νερού.

Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε άλλα Βιομόρια Το κυτταρόπλασμα από χημική άποψη είναι σύστημα διασποράς με μέσο διασποράς το νερό και βιομόρια (πρωτεΐνες, υδατάνθρακες λιπίδια, νουκλεϊνικά οξέα) στη διεσπαρμένη φάση Ειδικότερα, λόγω του μεγέθους (Ø 10 3-10 5 pm) της διεσπαρμένης φάσης (βαθμός διαμερισμού) το κυτταρόπλασμα είναι ένα υδρόφιλο πολυφασικό κολλοειδές σύστημα Όπου: Κολλοειδές: διασπορά σωματιδίων μιας ουσίας (διεσπαρμένη φάση) στη μάζα μιας άλλης ουσίας ή διαλύματος (μέσον διασποράς) Διεσπαρμένα σωματίδια: = 1 10 3 pm έως 2 10 5 pm Μοριακά συστήματα ή διαλύματα: < 1 10 3 pm.και: Υδρόφιλο Κολλοειδές: υπάρχει ισχυρή έλξη μεταξύ διεσπαρμένης φάσης και μέσου διασποράς (νερού), π.χ. ζελατίνη σε νερό. Υδρόφοβο Κολλοειδές: υπάρχει έλλειψη έλξεων μεταξύ διεσπαρμένης φάσης και μέσου διασποράς (νερού), π.χ. σωματίδια χρυσού σε νερό.

Κατά την ακτινοβόληση ενός τέτοιου συστήματος (υδρόφιλου πολυφασικού κολλοειδούς συστήματο) με ιοντίζουσες ακτινοβολίες προκαλούνται διάφορες φυσικές και χημικές μεταβολές. Κύρια φυσική μεταβολή είναι η μεταβολή του ηλεκτροκινητικού δυναμικού (Ζ) των μικυλλίων, που μετρούμε με έλεγχο της ταχύτητας μετακίνησής τους κατά την ηλεκτροφόρηση. Το Ζ εξαρτάται από το φορτίο του μικυλλίου και το πάχος του περιβάλλοντος υδάτινου περιβλήματος. Κατά την ακτινοβόληση προκαλείται λόγω ραδιόλυσης του νερού ελευθέρωση e και ιόντων τα οποία ενούμενα με τα μικύλλια μεταβάλλουν το φορτίο τους και συνεπώς και το Ζ.

Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών και σε άλλα Βιομόρια του Κυτταροπλάσματος Δημιουργία ελεύθερων ριζών Βλάβες μακρομορίων Κυτταρικός θάνατος, Καταστροφή οργάνων, σήψη, θάνατος του οργανισμού Έμμεση αλληλεπίδραση ιοντιζουσών ακτινοβολιών με έναν οργανισμό Οι χημικές μεταβολές στο κυτταρόπλασμα μπορούν να προκληθούν ταυτόχρονα με άμεση και με έμμεση δράση της ακτινοβολίας Επειδή δε η έμμεση δράση επιτελείται κυρίως μέσω μεταβίβασης ενέργειας στα βιομόρια αποκλειστικά σχεδόν από ελεύθερες ρίζες (από τη ραδιόλυση του νερού), παράγονται ακαριαία πρωτογενείς χημικές μεταβολές!

Ο δε έλεγχος του τρόπου δράσης (άμεσης ή έμμεσης) της ακτινοβολίας στα διάφορα βιομόρια in vivo γίνεται με διάφορες μεθόδους: Μέθοδοι διάκρισης Άμεσης από Έμμεση δράση Ακτινοβολίας Διάκριση με αραίωση: Εμμεση δράση: Αριθμός προσβαλλόμενων βιομορίων ανεξάρτητος από συγκέντρωσή τους (μέγιστο αδρανοποίησης στο αραιότερο διάλυμα) Αμεση δράση: Αριθμός προσβαλλόμενων βιομορίων ανάλογος της συγκέντρωσής τους Διάκριση με χημική προστασία: Εμμεση δράση: Ελάττωση του ποσοστού αλλοιουμένων βιομορίων με προσθήκη ξένης ουσίας, (προστασία συστήματος), εξαιτίας του συναγωνισμού στην αντίδραση με τον περιορισμένο αριθμό των διαθέσιμων ελευθέρων ριζών Διάκριση με πήξη: Εμμεση δράση: Ελάττωση του ποσοστού αλλοιουμένων βιομορίων με σημαντική μείωση θερμοκρασίας διαλύματος (έως πήξεως), λόγω ελάττωσης διάχυσης και δράσης των ελευθέρων ριζών

Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Βιομόρια Τα περισσότερα βιομόρια είναι οργανικές ουσίες με μεγάλο μοριακό βάρος (μακρομόρια). Όταν αυτά τα μακρομόρια ακτινοβολούνται σε διάλυμα in vitro, συμβαίνουν ποικίλες αντιδράσεις οι κυριώτερες από τις οποίες είναι: Α. Θραύση της κύριας αλυσίδας (Main-Chain Scission), με αποτέλεσμα μείωση μοριακού τους βάρους (& ιξώδους διαλύματος), καθώς προκύπτουν πολλά μικρότερα μόρια, μερικά από αυτά μακρομόρια. Ακτίνες-Χ Α Β Γ Β. Εγκάρσια διασύνδεση (Cross- Linking), δηλ. δημιουργία διαμοριακών δεσμών μεταξύ γειτονικών μακρομορίων ή τμημάτων του ίδιου μορίου, με αύξηση του ιξώδους διαλύματος Γ. Σημειακές αλλοιώσεις (Point Lesions) όπου απλοί χημικοί δεσμοί σπάζουν και το αποτέλεσμα είναι σχεδόν μη ανιχνεύσιμο, αλλά υπολογίσιμο!

Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Πρωτεΐνες Είτε κατά την άμεση ακτινοβόληση τους, είτε όταν προσβάλλονται έμμεσα, στις πρωτεΐνες παρατηρείται αλλαγή των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων τους. Για παράδειγμα απευθείας αντίδραση μεταξύ φωτονίων και ενός μακρομορίου πρωτεΐνης είναι η: Ενώ κατά την έμμεση δράση δράση ένα π.χ. ΟΗ από τη ραδιόλυση του νερού δίνει το ίδιο αποτέλεσμα:

Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Πρωτεΐνες Οι χημικές αλλαγές που συμβαίνουν είναι κυρίως: 1) Θραύση των κύριων πολυπεπτιδικών αλυσίδων στα σημεία πεπτιδικών δεσμών (HOOC R 1 HC ΗN CΟ CHR 2 NH 2 ) και παραγωγή σταθερών μορίων μικρότερου μοριακού βάρους, που δεν μπορούν να ανασυνδεθούν (καταστροφή πρωτοταγούς δομής). 2) Απώλεια ατόμων υδρογόνου ή ριζών CH 3 και σχηματισμός λίαν δραστικών μακρομοριακών ριζών, οι οποίες ενώνονται μεταξύ τους, (εγκάρσια διασύνδεση), σχηματίζοντας μεγαλομοριακά συγκροτήματα με διαφορετικές ιδιότητες από το αρχικό (καταστροφή πρωτοταγούς δομής). 3) Σημειακές αλλοιώσεις, όπου συμβαίνει καταστροφή ασθενών δεσμών υδρογόνου ( ΝΗ Ο=C ) και δισουλφιδικών δεσμών ( S S ) (καταστροφή δευτεροταγούς δομής) 4) Οξείδωση, δισουλφιδική ανταλλαγή κ.λπ.

Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Πρωτεΐνες Επίσης έχουμε αλλαγή των φυσικών ιδιοτήτων τους π.χ. : Στροφικής ικανότητας, Δείκτη διάθλασης, Επιφανειακής τάσης, Ηλεκτρικής αγωγιμότητας, Ιξώδους κ.λπ. Όλες οι παραπάνω αλλαγές έχουν σαν αποτέλεσμα τη «μετουσίωση» των πρωτεϊνών, που μπορεί να προκληθεί εκτός της ακτινοβόλησης, με θέρμανση, προσβολή με βάσεις και οξέα κ.λπ.

Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Υδατάνθρακες Ως επί το πλείστον, είτε κατά την άμεση ακτινοβόληση τους, είτε όταν προσβάλλονται έμμεσα, οι υδατάνθρακες υφίστανται κυρίως θραύση της κύριας αλυσίδας (Main-Chain Scission) M M M M M M M M M M + M M M M ή M M + M M M M M κ.λπ. Δηλαδή το μακρομόριο διασπάται σε μικρότερα σταθερά μόρια με ποικίλους αριθμούς μορίων Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Λιπίδια Κατά την ακτινοβόληση απουσία Ο 2 δημιουργούνται ρίζες και τα τελικά προϊόντα είναι κυρίως οξέα και καρβονυλοενώσεις. Παρουσία Ο 2 οι ρίζες υφίστανται κυρίως οξείδωση, παράγονται υδροϋπεροξείδια και παράγονται τα ίδια προϊόντα.