Wykładowca: mgr A. Szczepanek

Biofizyka - ćwiczenia 20.03.2011
(niedziela)

Promieniowanie niejonizujące - to fale elektromagnetyczne w zakresie widzialnym nadfioletowym i podczerwonym o długości fali od 20 do 10(6) mikrometrów. Promieniowanie to nie wywołuje jonizacji ośrodka, przez które przechodzi ze względu na niską energię jonizacji (tylko fotony promieniowania nadfioletowego tzw. UV próżniowego np. o długości fali lambda - 200 nm i energii E=,99 x 10(-18) J posiadają dostateczną energię do jonizacji niektórych cząsteczek np. sodu, którego energia jonizacji jest równa E=0,82 x10(-18) J promieniowanie UV próżniowe może wywoływać tylko pojedyncze jonizacje i dlatego zaliczanie jest do promieniowania niejonizującego. Promieniowanie gamm i rentgenowskie może posiadać energię przewyższającą energie jonizacji atomów i pierwiastków nawet milion razy

Źródło promieniowania niejonizującego

Do źródeł promieniowania niejonizującego zaliczmy cząsteczki i atomy we wzbudzonych stanach elektronowych, podczas przechodzenia wzbudzonych elektronów do stanu podstawowego (o niższej energii) następuje emisja fotonów.

Wpływ promieniowania niejonizującego na organizmy żywe

Promieniowanie podczerwone

• to fale elektromagnetyczne o długości 760 - 10⁶ nm

• głównym źródłem promieniowania podczerwonego jest słońce, każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje promieniowanie cieplne

• oddziaływanie promieniowania podczerwonego z materią polega na jej ogrzewaniu, co znalazło zastosowania w medycynie w wywoływaniu wzrostu temperatury tkanek (lampy typu SOLEX)

STADIA:
- pochłaniania energii

- oddziaływania elektrycznego

- zmian fizyko-chemicznych

- zmian chemicznych

- zmian biologicznych

We wcześniejszych analizach radiobiologicznych mających na celu uzmysłowić w jaki sposób promieniowanie zakłóca prawidłowe funkcjonowania komórek i tkanek posługiwano się dwoma teoriami:

Trafienia w cel - opierała się ona na założeniu iż kwant energii lub cząsteczka promieniowania korpuskularnego trafiając w ważną dla funkcjonowania komórki strukturę może bezpośrednio spowodować zmianę lub uszkodzenie biologiczne istotnej funkcji - uszkodzenie komórki

Teoria radiochemiczna (pośredniego oddziaływania)zakłada, że w powstawaniu uszkodzeń popromiennych kluczową rolę odgrywa woda jako główny składnik układów biologicznych. Na jedną cząsteczkę DNA w komórce przypada 700 cząsteczek białka i aż 1,2 x 10⁷ cząsteczek wody wg teorii przewaga wody jest tak duża że trawienia bezpośrednie na związki organiczne można pominąć

Obecnie przyjmuje się, że w skutek trafienia bezpośredniego powstaje 20% uszkodzeń, a 80% w skutek zmian radiochemicznych.

Skutki somatyczne i genetyczne promieniowania jonizującego

Somatyczne:

• Wczesne

• Choroba popromienna

• Ostra

• Przewlekła

• Miejscowe uszkodzenie skóry

• odległe

• Zmętnienie soczewek i zaćma

• Aberracje chromosomowe w komórkach somatycznych

• Nowotwory złośliwe

• Niepłodność

• Zahamowanie wzrostu i rozwoju

Genetyczne

• Mutacje genowe

• Dominujące

• Recesywne

• Aberracje chromosomowe w komórkach rozrodczych

Skutki stochastyczne - są to skutki późne, które związek przyczynowy z napromieniowaniem daję się wskazać dopiero w badaniach statystycznych. Mają charakter losowy. Wywoływane są przez małe dawki 0,5 - 1,0 dawki promieniowania. Są to efekty bez progowe - nie istnieje dawka uważana za bezpieczną. Prawdopodobnie wystąpienie objawów wzrasta ze wzrostem pochłoniętej dawki

Skutki stochastyczne można podzielić na somatyczne i genetyczne

Skutki somatyczne:

• indukowanie zmian nowotworowych - kancerogeneza popromienna. Rozpoczyna się od przemiany normalnej komórki w nowotworową czyli tzw. transformacji nowotworowej. W rezultacie zmian spowodowanych pochłonięciem prze komórkę dawki promieniowania jonizującego zyskuje ona zdolność do niekontrolowanych podziałów. Zyskanie zdolności do niekontrolowanych podziałów nie przesądza jeszcze o powstaniu nowotworu w „uzłośliwieniu” komórki musi zajść jeszcze wiele zmian w jej genomie, funkcjonowaniu, metabolizmie

• osłabienie układu immunologicznego w ludzi co powoduje zwiększoną śmiertelność noworodków

Skutki genetyczne

• skutki genetyczne występują wtedy gdy napromieniowaniu ulegną komórki rozrodcze. Skutki napromieniowania będą uwidaczniać się wówczas u potomstwa. Mogą być przekazywane jako zaburzenia dziedziczne następnym pokoleniom. Najczęściej schorzenia te powodują śmierć dziecka zaraz po urodzeniu, rzadziej zaburzenia pojedynczych komórek lub układów.

Skutki deterministyczne - do skutków deterministycznych zaliczamy takie, które wywołują zmiany w tkankach i narządach w krótkim czasie po napromieniowaniu i kiedy daje się ustalić związek pomiędzy napromieniowaniem, a objawami. Wywoływane są przez duże wartości dawek, powyżej 1 dawki promieniowania. Ogólnie polegają na uszkodzeniu znacznej liczby komórek co powoduje zaburzenie funkcjonowania całego organizmu. Objawy kliniczne pojawiają się od kilku minut do kilku dni po ekspozycji na promieniowanie. Skutki deterministyczne mają charakter progowy (dawka mniejsza od progowej nie wywołuje objawów) nasilenie objawów wzrasta ze wzrostem dawki.

Następstwa deterministyczne mogą być miejscowe lub ogólne. Następstwem napromieniowania są:

• ubytki komórek nie mogące być wyrównane przez komórki pozostałe przy życiu.

Reakcje zapalne

Zaburzenia czynności wewnątrz dzielniczych tkanek

Utrata kończyn

Martwicze zmiany skóry oraz narządów

Narażenie ludności na promieniowanie jonizujące w środowisku

Każdy człowiek narażony jest na działanie promieniowania jonizującego pochodzącego ze źródeł naturalnych i sztucznych

Środowiskowe źródła promieniowania jonizującego to:

Naturalne izotopy potasu którego zawartość w potasie naturalnym wynosi 0,00119%. Z potasu K-40 człowiek otrzymuje dawkę 0,3 mSv rocznie

Izotopy naturalnych szeregów promieniotwórczych zgromadzone w skorupie ziemskiej i wodzie

Promieniowanie kosmiczne (dawki promieniowania kosmicznego zależą od wysokości na poziomie morza dawka ta wynosi 0,25 mSv rocznie, a na wysokości 2000 m n.p.m 0,6 mSv rocznie) jedna godzina lotu samolotem to dodatkowo 0,004 mSv

- przedmioty codziennego użytku, telewizory i monitory ekranowe, glazura, farby stałego świecenia w zegarkach i kompasach

- badania radiologiczne

• Prześwietlenie klatki piersiowej 1mSV

• Prześwietlenie zębów 0,09mSV

• Prześwietlenie jamy brzusznej 1,47mSV

• Tomografia komputerowa całego ciała 10mSV

- opad promieniotwórczy pochodzący z awarii jądrowych i prób z bronią jądrową

Orientacyjna dawka roczna promieniowania ze źródeł naturalnych wynosi 2,6mSV natomiast ze źródeł sztucznych 0,9mSV (nie powinna przekraczać 1mSv)

U podstaw każdego zjawiska świecenia, a więc j luminescencji leży zawsze wzbudzenie atomów lub cząsteczek.

Wyróżniamy dwa typy luminescencji fluorescencję i fosfor encję.

• fluorescencja występuje gdy wzbudzony elektron przechodzi ze stanu wzbudzonego prosto do stanu podstawowego. Długość fali promieniowania (wyemitowanego światła) jest dłuższa od długości fali zaabsorbowanej.

• fosforescencja jest procesem bardziej złożonym z przejściem w stan meta trwały. Czas trwania zjawiska jest długość nawet do kilku sekund

Reakcje fotochemiczne

Cząsteczki w stanach wzbudzonych różnią się reaktywnością, rozkładem elektronów oraz właściwościami chemicznymi w porównaniu ze swoimi odpowiednikami w stanie podstawowym. Badaniem reakcji zachodzących w organizmach żywych zajmuje się foto biochemia. Reakcje foto biochemiczne mogą być jednocząsteczkowe (produkty reakcji powstaje z cząsteczki wzbudzonej) jak i dwucząsteczkowe (produkty reakcji powstaje w wyniku oddziaływania cząsteczki wzbudzonej z inną cząsteczką)

FOTOBIOCHEMIA

Wytwarzanie witaminy D3

Witamina D3 jest witaminą naturalną powstającą w skórze z prowitaminami 7 dehydrocholesterolu. Powstaje ona w wyniku foto przegrupowania w cząsteczce prowitaminy polegającego na rozerwaniu wiązania pomiędzy atomami węgla pod wpływem promieniowania ultrafioletowego UV-b. rolą witaminy D3 jest pobudzenie transportu wapni z jelita do naczyń krwionośnych. Wpływa na prawidłowe kształtowanie szkieletu jej niedobór powoduje krzywice.

Fotodimeryzacja tyminy

Reakcja fotodimeryzacji tyminy znalazła zastosowania w procesie dezynfekcji. Promieniowanie nadfioletowe absorbowane przez DNA nie występuje w naturalnym świetle słonecznym przy powierzchni ziemi. W celu jego wytworzenia stosuje się niskociśnieniowe lampy rtęciowe. Posiadają one maksimum emisji około 254 nm i cechują się skutecznym zwalczaniem bakterii. Lampy tego typu stosowane są w pomieszczeniach gdzie wymagana jest wysoka sterylność - sale operacyjne, gabinety zabiegowe, boksy laminarny.

Działanie bakteriobójcze promieniowania UV polega na powstawaniu połączeń kowalencyjnych pomiędzy sąsiadującymi Tyminami. Takie dimery powodują zaburzenie replikacji.

Bakterie w trakcie ewolucji wykształciły mechanizmy naprawcze uszkodzonego DNA. Jednym z mechanizmów jest rozszczepiania dimerów przez enzym fotolizę reakcja ta zachodzi przy udziale światła o dłuższych falach. Mechanizm ten nazywany jest fotoreaktywacją. Drugi mechanizm to tzw. ciemna reaktywacja nie wymaga udziału światła, polega na wypięciu uszkodzonego kawałka DNA i zastąpienia nowymi nukleotydami,. Proces ten katalizowany jest przez kompleks enzymatyczny - korekcyjną endonukleazą.

---