Ação da radiação DIRETA INDIRETA

Transcrição

1 Radioquímica

2 Ação da radiação DIRETA INDIRETA

3 AÇÃO DIRETA 1. Absorção de Energia Excitação e Ionização 2. Processos de transferência de Energia ESR (Ressonância Eletrónica de Spin) Termoluminescência Adição de 3 H

4 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 processo multievento estocástico

5 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 tamanho do target.

6 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! sendo X dependente da exposição à radiação.

7 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 0 = Actividade inicial

8 A= A 0.e -KD A exposição é dada em unidades de ionização primárias por cm 3 K é a constante característica de cada atividae biológica cuja uniadade é volume (cm 3 ) 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

9 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 D 37 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 37K = 1 D 37

10 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 D 37 D 37 em RADs

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 e - Catalase RX Lisozima e - ATPase e - Glutamato desidrogenase Fosforilase de amido e

12 Enzima MM x No. de 10-3 cadeias MM x 10-3 Target size Radiação Álcool Desidrogenas e Xantina Oxidase Glucose e Fosfatase Peroxidase Amilase Fosfatase Alcalina e -

13 Activ. Enz.(%) Fatores que afetam a radiosensibilidade das moléculas Temperatura K 195 K 310 K Dose Mrad Inactivação da Ribonuclease por 60 Co ( ) no vazio

14 Radioss. Presença de O O 2 mm Hg Radiosensibilidade da Tripsina seca, irradiada com 60 Co D 37 oxigênio D 37 no vácuo

15 Presença da segunda molécula Radiossensibilidade relativa de enzimas no estado sólido irradiadas na presença de diferentes aditivos Aditivo Inverta Ribonuclease Urease se 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, ,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 - D 37 sem aditivo / D 37 com aditivo

16 Conteúdo de água 12 Dose 37 x % água Arilesterase Colinesterase

17 Efeito do ph 10 Dose 37 x ,5 6,5 8,5 ph Desoxirribonuclease dissolvida em tampão fosfato ph 3,5-8,5, liofilizado e inactivado com 60 Co

18 DNA 1868: Miescher isola substância rica em P Nucleína suspeitava ligação com herança celular Básica proteínas Ácida DNA

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20 A T G C

21 Dupla hélice antiparalelas

22 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

23 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 O 2 ligações cruzadas peróxidos

24 Rompimento de H--H não é importante, forma-se novamente Só é relevante se o número de quebras for elevado Carbono 5 Quebras: açucar O O - P O CH2 O Base nitrogenada O H H H H fosfato Carbono 3 O O - P H O CH2 O Base nitrogenada O H H H H OH H

25 Efeitos da radiação no DNA Célula Radiação Dose Propriedades do DNA Efeito imediato Efeito após a irradiação (Krad) 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 -

26 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

27 log % viscosidade rem anscente Dose DNA+ histonas DNA Mesmo efeito é observado com a albumina do soro, glicose MeOH, tioureia e cisteamina

28 rad Cross-linking 3 5 peroxidação

29 Dupla quebra 5 3 rad 3 5 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.

30 EFEITO DA RADIAÇÃO IONIZANTE EM CÉLULAS

31 Reparação DNA tratamento c/ agentes físicos ou químicos DNA lesado reparação correta DNA restaurado (preservação da informação) ausência ou insucesso da reparação Perda de actividade biológica reparação incorreta DNA mutado (evolução)

32 Formação de dímeros de Timina Efeito irreversível

33 Mecanismo de reparação por excisão de nucleotídeos

34 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

35 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 protecção contra os efeitos nocivos

36 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 (<200 msv, < 0,1mSv/min) importância radio-biológica

37 MECANISMO DE ACTUAÇÃO DAS RADIAÇÕES IONIZANTES E E E E E absorção de E da radiação transferência de E da radiação não há deposição de energia nenhum deposição de energia célula dano letal morte dano subletal danifica celular organismos vivos moléculas biológicas efeito danificada a célula sem causar morte Reparação EFEITO BIOLÓGICO célula normal célula alterada interacção da radiação com as células vivas manifestações biológicas eventos pouco conhecidos

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39 Mecanismo Indireto H 2 O ----H + OH E DNA exitação células ionização Mecanismo Direto alvo 10 5 genes DNA lesado 10-6 mutações / gene / divisão celular reparação correcta DNA restaurado célula normal célula somática não reparação célula mutada viável DNA mutado Reparação inadequada célula germinativa morte celular apoptose Catarata Malformações Síndromes da radiação efeitos determinísticos Diminuição da longevidade Envelhecimento precoce Indução de cancros efeitos estocásticos Doenças hereditárias (transmissíveis)

40 - EXPOSIÇÕES DA PELE eritema e descamação 3-5 Gy com aparecimento de sintomas cerca de 3 semana após exposição necrose nos tecidos 50 Gy após 3 semanas de exposição - DECRÉSCIMO NO NÚMERO DE CÉLULAS SANGUÍNEAS Depressão na formação do sangue 0,5 Gy (exposição aguda de toda a medula) 0,4 Gy/ano - ATRASO MENTAL (exposição intra uterina) período sensível (0,12 a 0,2 Gy) uma dose de 1 Sv 8 15 semanas após a concepção (período de organogénese) Atraso mental severo em cerca de 40% dos indivíduos expostos

41 - SÍNDROME AGUDA DA RADIAÇÃO (IRRADIAÇÃO DE CORPO INTEIRO) Hematopoiético: 2 10 Gy ( morte em dias) Gastrointestinal: Gy (morte em 3 5 dias) Sistema nervoso central: Gy (morte em 1 2 dias) - MORTE CELULAR INDIVIDUAL efeito estocástico -MORTE DE UM GRANDE NÚMERO DE ECÉLULAS efeito determinístico (disfunção do órgão ou tecido)

42 EFEITOS DIRECTOS E INDIRECTOS DA RADIAÇÃO E interage com moléculas vizinhas Água Ácidos nucleicos Proteínas Lipídeos Carboidratos E interage directamente no DNA

43 Radiólise da água H 2 O H 2 O + + e - e - + H 2 O H 2 O - H 2 O + + H 2 O H + + H 2 O + OH H 2 O - + H 2 O OH - + H 2 O + H H + + OH - H 2 O H 2 O H + OH reacções secundárias OH + OH H 2 O 2 H + H H 2 H + H 2 O OH + H 2 H + OH H 2 O RH + OH R + H 2 O Presença de O 2 e - + O 2 O 2 - O H 2 O 2 OH - + HO 2 (radical peroxilo) H + O 2 HO 2 HO 2 + H H 2 O 2 OH + H 2 O 2 H 2 O + + HO 2 R + O 2 RO 2 (peróxido orgânico)

44 LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMA Núcleo (DNA) Fe ++ + H 2 O 2 Fe OH + OH - Radicais livres Espécies activas de O 2 O Fe +++ O 2 + Fe ++ Reação de Fenton O H 2 O 2 OH + OH - + O 2 Fe dano oxidativo no DNA mutação transformação maligna morte celular envelhecimento cancro

45 LISE CELULAR LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMA Radicais livres Citoplasma (membranas) membranas formação de peróxidos lipídicos Espécies activas de O 2 carboidratos proteínas lípidos alterações das propriedades das membranas alteração no potencial mudança de permeabilidade inativação de substâncias receptoras ligadas à membrana perda da integridade decréscimo de fluidez escoamento de Ca ++ e outros iões aumento da suscetibilidade da membrana ao ataque enzimático