Ação da radiação
DIRETA
INDIRETA
AÇÃO DIRETA
1. Absorção de Energia
Excitação e Ionização
2. Processos de transferência de Energia
ESR (Ressonância Eletrónica de Spin)
Termoluminescência
3. Formação de moléculas danificadas estáveis
4. Características da ação direta
4.a. Relação dose-efeito
Teoria do alvo
A = Ao . c
Beauragard (1985), Kempner (1986)
dependente da temperatura
Swillens (1986) -
considera “target” e a eficiência
do “hit”
“Teoria do alvo – target size”
1.
Num organismo vivo temos um ou mais
“target(s)”.
2. A interação da radiação com um organismo vivo ocorre ao
acaso
3. Um
“hit” ou uma interação da radiação com o target mata,
inativa ou induz um efeito radiobiológico no organismo
4. A probabilidade de produção de um hit é proporcional ao
5. Para radiações de alta energia ocorre o que
chamamos de ionizações primárias.
6. Uma ionização primária envolve 66 eV de energia
1500 kcal/mol
Ligação covalente
100 kcal/mol
Ponte de hidrogénio
7 kcal/mol
7. Como as ionizações ocorrem ao acaso, a
probabilidade de ocorrer 0, 1, 2, ..., n ionizações é
dada pela fórmula de Poisson
P(n) = e
-x(X)
nn!
8. Como a energia é muito elevada cada vez que ocorre
1 HIT
INATIVAÇÃO BIOLÓGICA
9. A probabilidade de não ocorrer ionizações é
P(0) = e
–xA curva de sobrevivência ou actividade biológica medida
após várias exposições decrescerá como uma simples
exponencial
A= A
0.e
-KDA = Actividade após a dose D de irradiação
A= A
0.e
-KDA exposição é dada em unidades de ionização primárias por cm3
K é a constante característica de cada atividae biológica cuja uniadade é volume (cm3 )
K é chamado RADIATION TARGET ou VOLUME SENSÍVEL
Como as ionizações ocorrem ao acaso e a energia é elevada: a sensibilidade é independente da FORMA e da COMPOSIÇÃO QUÍMICA do alvo
Para radiações não ionizantes, por exemplo UV, a energia absorvida depende de fatores tais como presença de ANÉIS AROMÁTICOS, pontes de S, etc.
O tamanho do alvo “target size” K é obtido a partir da dose 37% ou D37 que é a dose necessária para reduzir a atividade para 37% da inicial.
A = 0,37 A
00,37 A
0= A
0. e
-KD37ln 0,37 = -1 = -KD
37K = 1
Cálculo da massa molecular
Considerando:
1. RAD é a deposição de 100 ERGs de energia por
cm
3de material.
2. Densidade da proteína.
3. O número de Avogadro.
4. Uma série de dados obtidos por radiação.
Chega-se a uma equação empírica
Massa molecular = 6,4 x 10
111. Se tivermos mais de uma molécula, teremos soma de
exponenciais
2. Só é válido para efeito direto da radiação (irradiação a
seco)
Exemplos
Enzima
MM x 10
-3Target size
Radiação
Malato
desidrogenase
74
73
e
-Catalase
232
230
RX
Lisozima
14
15
e
-ATPase
284
280
e
-Glutamato
desidrogenase
320
300
e
-Fosforilase de
amido
215
210
Enzima MM x 10-3 No. de cadeias MM x 10-3 Target size Radiação
Álcool
Desidrogenas
e
141
4
35
37
Xantina
Oxidase
300
2
150
125
Glucose e
Fosfatase
130
2
63
70
Peroxidase
40
14
-Amilase
96
2
48
46
Fosfatase
Alcalina
140
2
69
70
e
-Fatores que afetam a radiosensibilidade das moléculas
Temperatura
0
100
30
60
Dose Mrad
Activ
.
Enz
.(%
)
310 K
195 K
77 K
Presença de O
20
3
720
O
2mm Hg
Radioss.
2
1
Radiosensibilidade da Tripsina seca, irradiada com
60Co
D
37oxigênio
D
37no vácuo
Presença da segunda molécula
Radiossensibilidade relativa de enzimas no estado
sólido irradiadas na presença de diferentes
aditivos
Aditivo
Inverta
se
Ribonuclease Urease
Nenhum
1,0
1,0
1,0
Cisteína
0,5
-
0,5 – 0,7
Glutationa
0,5
0,52 0,10
-
Extrato de lev. 0,45
0,52 10
0,8
Tampão acetato 1,4 – 1,6 4,8 1,4
-
Sacarose
-
2,6 0,5
-
NaCl
1,5 – 3,5 0,98 0,21
-
Conteúdo de água
6
12
14
28
% água
Dose 37 x 10
6Arilesterase
Colinesterase
Efeito do pH
2
10
3,5
8,5
pH
Do
se
37
x
10
66,5
Desoxirribonuclease dissolvida em tampão fosfato pH 3,5 - 8,5,
DNA
1868: Miescher isola substância rica em P
Nucleína
Básica
Ácida
proteínas
DNA
suspeitava ligação com herança
A
T
Dupla hélice
antiparalelas
Efeitos da radiação no DNA
Com doses superiores a 1000 rad (10 Gy):
Quebra de pontes H--H
Quebra de cadeias
Cross-linking
Quebra do esqueleto de açúcar
Dano nas bases
Deixa de funcionar como template
Quebra simples mais frequente
Ação direta da radiação
viscosidade formação de ligações cruzadas
massa molecular gel
No vácuo insolúvel quebra de cadeias
Quebras coincidentes rutura
Agitação ligações cruzadas
Ligações cruzadas com H
2O
Rompimento de H--H não é importante, forma-se novamente
Só é relevante se o número de quebras for elevado
Quebras:
açucar
fosfato
O- P O O O CH2 O H H O H H H Base nitrogenada Carbono 5 O- P O O CH2 O H H OH H H H Base nitrogenada Carbono 3Efeitos da radiação no DNA
Célula Radiação Dose (Krad)
Propriedades do DNA Efeito imediato Efeito após a irradiação
E. coli X 60 Conteúdo Nenhum
-H. influenzae X 24 Idem Idem
E. coli X 4 Viscosidade
-Ehrlich tumor X 1.2 Idem
Figado rato X 1 Idem nenhum
E. coli X 110 Sedimentação -D. pneumonial Eletron 1 Mev 400 Transforming -E. coli X 10 Recombinação
-Fago T7
DNA dupla fita
Irradiado em suspensão com ou sem agente protetor
Quebra em uma hélice proporcional à dose
Uma dupla quebra é suficiente para matar o fago
(provavelmente 2 quebras simples em hélices opostas)
Na presença de His a D
37passa de 30 krad para 84 krad
Com His + Cys, a D
37vai de 84 para 175 krad
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Dose lo g % v is c o s id a d e r e m a n s c e n te DNA+ histonas DNA
Mesmo efeito é observado com a albumina do soro, glicose
MeOH, tioureia e cisteamina
5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ rad 5’ 3’ 5’ 3’
Cross-linking
peroxidação
5’
3’ 5’ 3’ rad
Dupla quebra
Ocorre quando o DNA
- é atravessado por uma partícula (600 eV/ quebra dupla)
-Quando um foco de ionizações ocorre pela radiação ionizante (850 eV/dupla quebra)
- quando, ao acaso duas quebras simples se justapõem
Uma dupla quebra ocorre por cada 70 quebras simples. É o mecanismo de quebra pelos H. e OH. da água.
EFEITO DA RADIAÇÃO
IONIZANTE EM CÉLULAS
Reparação
DNA
tratamento c/ agentes físicos ou químicosDNA lesado
DNA restaurado (preservação da informação) Perda de actividade biológica DNA mutado (evolução) reparação correta ausência ou insucesso da reparação reparação incorretaFormação de dímeros de Timina – Efeito irreversível
Mecanismo de reparação por excisão de nucleotídeos
Doenças humanas hereditárias associadas com defeitos de reparação do DNA
Patologia Sensibilidade Suscetibilidade Sintomas
Ataxia telangietasica Radiação Linfoma Ataxia, dilatação de vasos sanguíneos na pele e olhos, aberrações
cromossómicas, disfunção imunológica Síndrome de Bloom Agentes alquilantes
suaves
Carcinomas, leucemias, linfomas
Fotosensibilidade, telangiectase facial, alterações cromossómicas
Síndrome de Cockayne Radiação UV
Naninismo, atrofia da retina,
fotosensibilidade, progeria, surdez, trissomia no cromossoma 10
Anemia Falconi Agentes reticulantes Leucemias Pancitopenia hipoplástica, anomalias congénitas
Xeroderma pigmentoso Radiação UV,
mutagênicos químicos Carcinoma de pele e melanomas
Fotosensibilidade de olhos e pele, queratose
Efeitos da radiação ionizante em células
1895 b descoberta dos raios X e da radioactividade natural
W. K. Roentgen Henry Becquerel
aparecimento da radiodermite
1902 primeiro caso de cancro radio-induzido (cancro de pele) 1911 mais de 100 casos de cancro de pele
1927 H. J. Muller e Drosophila (radiogenética)
a radiação ionizante pode afectar o património genético II Guerra Mundial avaliação mais detalhada
Rádio-biologia ênfase maior nas últimas décadas
Melhor conhecimento da radiação numerosos benefícios
RADIAÇÃO
RADIAÇÃO IONIZANTE
UNSCEAR: “não existe uma dose “segura” de exposição de
radiação sob o ponto de vista genético, sendo que qualquer
exposição à radiação pode envolver um certo risco de
indução de efeitos hereditários e somáticos”
Radiações de baixas doses
importância radio-biológica
(<200 mSv, < 0,1mSv/min)
MECANISMO DE ACTUAÇÃO DAS RADIAÇÕES IONIZANTES
E
absorção de E da radiação transferência de E da radiaçãoorganismos vivos
moléculas biológicas
EFEITO BIOLÓGICOE
não há deposição de energianenhum efeito
E
deposição de energiacélula danificada
E
dano letalmorte celular
E
dano subletal danifica a célula sem causar morteReparação
célula normal
célula alterada
interacção da radiação
com as células vivas
manifestações biológicas
eventos pouco conhecidos
Mecanismo Indireto exitação reparação correcta Mecanismo Direto
E
1014 células H2O ----H + OHDNA alvo 105 genes DNA
lesado 10-6 mutações / gene / divisão celular
não reparação Reparação inadequada
DNA restaurado DNA mutado célula normal célula mutada viável morte celular apoptose ionização célula
somática germinativacélula
Catarata Malformações Síndromes da radiação Diminuição da longevidade Envelhecimento precoce Indução de cancros Doenças hereditárias (transmissíveis)
Depressão na formação do sangue eritema e descamação
necrose nos tecidos 50 Gy após 3 semanas de exposição
0,5 Gy (exposição aguda de toda a medula) 3 - 5 Gy com aparecimento de sintomas cerca
de 3 semana após exposição
0,4 Gy/ano - EXPOSIÇÕES DA PELE
- DECRÉSCIMO NO NÚMERO DE CÉLULAS SANGUÍNEAS
período sensível
(0,12 a 0,2 Gy) 8–15 semanas após a concepção (período de organogénese)
uma dose de 1 Sv
- ATRASO MENTAL (exposição intra–uterina)
Hematopoiético: 2 – 10 Gy ( morte em 10 – 30 dias) Gastrointestinal: 10 –100 Gy (morte em 3 – 5 dias)
Sistema nervoso central: 100 – 1000 Gy (morte em 1 – 2 dias)
- SÍNDROME AGUDA DA RADIAÇÃO (IRRADIAÇÃO DE CORPO INTEIRO)
- MORTE CELULAR INDIVIDUAL efeito estocástico
-MORTE DE UM GRANDE NÚMERO DE ECÉLULAS efeito determinístico
EFEITOS DIRECTOS E INDIRECTOS DA RADIAÇÃO
E interage com moléculas
vizinhas
E
interage directamente no DNA
Água
Ácidos nucleicos Proteínas
Lipídeos
Radiólise da água H2O H2O+ + e -e- + H 2O H2O -H2O+ + H 2O H+ + H2O + OH H2O- + H 2O OH- + H2O + H H+ + OH- H 2O H2O H + OH OH + OH H2O2 H + H H2 H + H2O OH + H2 H + OH H2O RH + OH R + H2O reacções secundárias Presença de O2 e- + O 2 O2 -O2- + H 2O2 OH- + HO2 (radical peroxilo) H + O2 HO2 HO2 + H H2O2 OH + H2O2 H2O+ + HO 2 R + O2 RO2 (peróxido orgânico)
LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMA
Radicais livres
Espécies activas de O
2 Núcleo (DNA) Fe ++ + H 2O2 Fe+++ + OH + OH -O2- + Fe+++ O 2 + Fe++ O2- + H 2O2 Fe OH + OH- + O2 Reação de Fentondano oxidativo no DNA
envelhecimento morte celular cancro transformação maligna mutação
LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMA
Radicais livres
Espécies activas de O
2 Citoplasma (membranas) membranas carboidratos proteínas lípidos formação de peróxidos lipídicosalterações das propriedades das membranas
alteração no potencial inativação de substâncias
receptoras ligadas à membrana mudança de permeabilidade
decréscimo de fluidez
escoamento de Ca++
e outros iões aumento da suscetibilidade damembrana ao ataque enzimático perda da integridade