Ação da radiação DIRETA INDIRETA

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)

n

n!

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

–x

A curva de sobrevivência ou actividade biológica medida

após várias exposições decrescerá como uma simples

exponencial

A= A

₀

.e

-KD

A = Actividade após a dose D de irradiação

A= A

₀

.e

-KD

A 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

₀

0,37 A

₀

= A

₀

. e

-KD37

ln 0,37 = -1 = -KD

₃₇

K = 1

Cálculo da massa molecular

Considerando:

1. RAD é a deposição de 100 ERGs de energia por

cm

3

_{de 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

11

1. 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

-3

_{Target 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

₂

0

3

720

O

₂

mm Hg

Radioss.

2

1

Radiosensibilidade da Tripsina seca, irradiada com

60

Co

D

₃₇

oxigênio

D

₃₇

no 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

6

Arilesterase

Colinesterase

Efeito do pH

2

10

3,5

8,5

pH

Do

se

37

x

10

6

6,5

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

₂

O

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 3

Efeitos 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

₃₇

passa de 30 krad para 84 krad

Com His + Cys, a D

₃₇

vai 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 químicos

DNA lesado

DNA restaurado (preservação da informação) Perda de actividade biológica DNA mutado (evolução) reparação correta ausência ou insucesso da reparação reparação incorreta

Formação 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 radiação

organismos vivos

moléculas biológicas

EFEITO BIOLÓGICO

E

não há deposição de energia

_{nenhum efeito}

E

deposição de energia

célula danificada

E

dano letal

morte celular

E

dano subletal _{danifica a célula sem causar morte}

Reparação

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 + OH

DNA 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 Fenton

dano 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 lipídicos

alterações 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 da_{membrana ao ataque enzimático} perda da integridade