Ionizující záření Katarína Kuricová Jaro 2014 Terminologie Symbolika: A ZXN A = nukleonové číslo (A = Z+N) Z = protonové číslo N = neutronové číslo 12 6C6 Terminologie Nuklidy = soubor identických atomů jejichž jádra mají identické složení = stejné A i Z Isotopy = soubor atomů, které mají stejné Z ale různé N (a tím pádem i A) 12 6C6 13 6C7 14 6C8 Isobary = nuklidy které mají stejné A ale různé Z 40 18Ar 40 19K 40 20Ca Radio – značí, že jádro je nestabilní a samovolně se rozpadá Dávka záření – energie sdělená ionizujícím zářením (E získaná od všech ionizujících částic) - rozměr je J/kg, jednotkou je Gy (gray) - 1Gy = energie 1J absorbovaná v 1 kg látky Terminologie Skupiny radioaktivních přeměn: 1. mění se Z při konstantním A (β, β+, EZ) 2. mění se Z i A (α) 3. deexitace jádra (γ) Přeměna β: n → p + e + vc 14 6C → 14 7N 6 + β + vc Přeměna β+: n → p + e+ + vc 22 11Na → 22 10Ne + β+ + vc Elektronový záchyt: p + e → n + vc 7 4Be + e → 7 3Li + vc Přeměna α : A ZX → A-4 Z-2Y + 4 2He (α) 226 88Ra → A-4 Z-2Rn + 222 86He (α) Přeměna γ : 137 55Cs → 137m 56Ba + β + vc 137m Ba → 137 Ba + γ Terminologie Mechanismus ztráty energie záření: α – těžké nabité částice, krátký dosah (ve vzduchu několik cm, v kapalinách desítky µm) β – menší náboj jako α, při stejné energii větší rychlost, větší pronikavost a dosah (v plynech metry, v kapalinách mm) γ – ionizuje nepřímo účinkem sekundárních elektronů, lineární ionizace je malá, dosah proto velký Metody ochrany – vzdáleností, odstíněním (β cm sklo, plexisklo; γ olovo, železobeton) Vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (2002) o radiační ochraně Generátor záření – záření nebo přístroj vysílající ionizující záření, jehož součásti pracují při rozdílu potenciálu vyšším než 5 kV (rentgenová zařízení, urychlovač částic) Radioaktivní kontaminace – znečištění jakéhokoli materiálu či jeho povrchu, prostředí nebo osoby radioaktivní látkou Radionuklid – druh atomů, které mají stejný počet neutronů, stejný energetický stav a které podléhají samovolné změně ve složení nebo stavu atomových jader Zneškodňování radioaktívních odpadů – umístění radioaktivních odpadů na úložiště bez úmyslu je znovu použít Vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (2002) o radiační ochraně Osobní dávka – souhrnné označení pro veličiny charakterizující míru zevního i vnitřního ozáření jednotlivé osoby, zejména efektivní dávku a ekvivalentní dávku v jednotlivých orgánech nebo tkáních Ekvivalentní dávka HT – součin radiačního váhového faktoru WR a střední absorbované dávky DTR v oránu nebo tkáni T pro ionizující záření R [Sv] HT = WR x DTR Druh záření WR Druh záření WR Fotony a elektrony 1 Neutrony o energii 0,1-2 MeV 20 Neutrony o energii do 10 keV 5 Neutrony o energii 2-20 MeV 10 Neutrony o energii 10-100 keV 10 Záření alfa 20 Vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (2002) o radiační ochraně Osobní dávka – souhrnné označení pro veličiny charakterizující míru zevního i vnitřního ozáření jednotlivé osoby, zejména efektivní dávku a ekvivalentní dávku v jednotlivých orgánech nebo tkáních Ekvivalentní dávka HT – součin radiačního váhového faktoru WR a střední absorbované dávky DTR v oránu nebo tkáni T pro ionizující záření R HT = WR x DTR Efektivní dávka E – součet součinů tkáňových váhových faktorů WT a ekvivalentní dávky HT v orgánech nebo tkáních T (je to veličina, která zahrnuje pravděpodobnost škodlivých účinků způsobených určitou ekvivalentní dávkou pro různé tělesné orgány a tkáně). Vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (2002) o radiační ochraně Pracoviště, kde se vykonávají radiační činnosti, se kategorizují vzestupně podle ohrožení zdraví a životního prostředí ionizujícím zářením na pracoviště I., II., III. a IV. kategorie. Sledované pásmo – vymezuje se všude tam, kde se očekává, že efektivní dávka by mohla být vyšší než 1mSv ročně nebo ekvivalentní dávka by mophla být vyšší než jedna desetina limitu ozáření pro oční čočku, kůži a končetiny stanoveného v § 20 odst 1 písm c) až e) „Sledované pásmo se zdroji ionizujícího záření“ Vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (2002) o radiační ochraně Omezování ozáření osob je zajišťováno pomocí limitů ozáření (do čerpání limitů se nepočítá ozáření z přírodních zdrojů kromě těch, které jsou vědomě a záměrně využívány) Obecné limity Radiač. pracovníci Učni a studenti Součet efektivních dávek ze zevního i vnitřního prostř. 1 mSv / rok 5mSv / 5roků 50 mSv /rok 100mSv / 5roků 6 mSv /rok Ekviv.dávka v oční čočce 15 mSv /rok 150 mSv /rok 50 mSv /rok Ekviv.dávka v 1cm2 kůže 50 mSv /rok 500 mSv /rok 150 mSv /rok Mechanismy účinku IZ na živou tkáň fyzikální stadium ◦ při interakci kvanta ionizujícího záření s hmotou je energie záření předávána elektronům v atomech za vzniku ionizace a excitace fyzikálně-chemické stádium ◦ sekundární fyzikálně-chemické procesy interakce iontů s molekulami – disociace molekul a vznik volných radikálů chemické stádium ◦ vzniklé ionty, radikály, excitované atomy a další produkty reagují s biologicky důležitými organickými molekulami a mění jejich složení a funkci. biologické stádium ◦ molekulární změny v biologicky důležitých látkách (v DNA, enzymech, proteinech) - funkční a morfologické změny v buňkách, orgánech i v organismu jako celku. Biologické účinky IZ přímý účinek ◦ přímý zásah makromolekuly ◦ závažný hl. u nukleových kyselin ◦ druhořadý význam  pravděpodobnost takových "přímých zásahů" je poměrně nízká nepřímý účinek ◦ radiolýza vody  změny způsobené především radikály (superoxid, H2O2) ◦ vysvětlení tzv. kyslíkového efektu  účinek záření větší, je-li v buněčné tekutině rozpuštěn kyslík Efektivní dávka Hf = WT x HT jednotlivé orgány reagují na stejné záření jinak: WT Gonády (nejcitlivější) 0,2 žaludek 0,12 játra 0,05 kůže 0,01 Povrchy kostí (nejméně citlivé) 0,01 Postradiační změny na molekulární úrovni cílem radikálového poškození jsou:  lipidy  součást membrán – poruchy transportu a změny odolnosti  membrána nepůsobí jako překážka pro makromolekuly  př. OH· reaguje s lecitinem  proteiny  modifikace AK zbytků – změna konformace a funkce  změny konformace př. porušení oxidativní fosforylace  chybná syntéza enzymů  DNA  puriny, pyrimidiny, deoxyribóza  zlomy (jednoduchý vs. dvojitý) Efekt záření na buňku / tkáň ZLOM DNA jednoduchý - kontinuita v místě 1 vlákna (reparace) x dvojitý - porucha funkce Typy a důsledky lézí DNA bodové mutace single strand breaks (SSB) ◦ možná reparace double strand breaks (DSB) ◦ letální (apoptóza) ◦ homologní rekombinace ◦ nehomologní připojení translokace inzerce Reparace DNA 2 základní mechanismy reparace DNA: 1) na transkripci vázaná reparace, reparace chybného párování tzv. korekturní čtení, která pracuje přímo při syntéze DNA. DNA polymeraza I má schopnost poznat a odstranit špatnou bázi a nasyntetizovat novou. Tento mechanismus je velmi účinný. 2) nukleotidová excisní reparace (NER) – ta pracuje v průběhu celého buněčného cyklu. Tento mechanismus opravuje široké spektrum mutací v DNA (UV, radiace chemické látky, spontánní mutace) Tento proces spočívá v: - rozpoznání poškozeného místa - excizi poškozeného řetězce DNA - nasyntetizování nového úseku DNA podle komplementárního řetězce DNA - napojení nového úseku na původní vlákno DNA (DNA – ligáza) 3) fotoreaktivace – štěpení thyminových dimerů fotolyázou, aktivace UV světlem 4) chemická reparace - 3-methyladenin DNA glykozyláza odstraňuje spontánně methylované báze Akutní radiační syndrom (ARS) jednorázové ozáření celého těla dávkou větší než 1 Gy (celé tělo nebo jeho větší část) časový průběh, rozsah a závažnost závisí na velikosti dávky postižení hematopoetického, gastrointestinálního a cerebrovaskulárního systému stadia ARS:  prodromální  nevolnost, zvracení, průjem, bolesti hlavy - dny  latentní  týdny  přechodné ustoupení příznaků  manifestace  záleží na dávce, měsíce  intenzivní rozvinutí počátečních příznaků + padání vlasů, vnitřní krvácení, silná vnímavost k infekcím  regenerace nebo smrt Pravděpodobnost úmrtí: 6 Sv 80 %, 10 Sv 100 % těhotenství – poškození plodu in utero (prahová dávka 0,05 Sv!) ◦ <3 týdny (blastogeneze) “vše nebo nic” genové a chromozomové mutace zpravidla vedou k abortu ◦ 3. – 8. týden (organogeneze) růstová retardace teratogenní - kongenitální deformity mikrocefalie, mikroftalmie, spina bifida, rozštěpy, … ◦ 8. – 15. týden (časné fetální období) mentální retardace zvýš. náchylnost k nádorovým onem. u dětí (leukemie) ◦ později značná rezistence sterilita spermatogeneze – dočasná sterilita u mužů (od 3 Sv trvalá) ovaria – nutná velká dávka k vyvolání sterility u žen zákal oční čočky (prahová d. 1,5 Sv) Pozdní účinky mohou se projevit po letech až desítkách let od ozáření vznikají buď jako deterministické účinky po dlouhodobé či opakované expozici menšími dávkami záření (nenádorová pozdní poškození) nebo jako stochastické účinky (nádorová a genetická postižení) Účinky IZ na organizmus deterministický ◦ závažnost poškození je přímo úměrná dávce ◦ účinky se projeví pouze po dosažení prahové dávky ◦ poškození vzniká jako důsledek zániku velkého množství buněk ◦ specifická manifestace  poškození typických tkání a orgánů (předvídatelné) ◦ nástup příznaků brzy po expozici (krátká latence) ◦ typy akutní radiační syndrom chronický postradiační sy.  rad. dermatitida, sterilita, katarakta oškození plodu in utero stochastický ◦ s dávkou roste pravděpodobnost poškození ◦ účinky jsou bezprahové závažnost postižení a průběh onemocnění nejsou závislé na výši dávky ◦ následky jsou náhodné, individuální a nepředvídatelné ◦ nespecifická manifestace  poškození různých tkání a orgánů ◦ opožděná manifestace (dlouhá latence, typicky roky) ◦ typy  somatické mutace - nádory • leukemie, plíce, štítná žláza, skelet  germinativní mutace • vrozený genetický defekt Hormeze stimulující účinky malých dávek záření vyšší metabolická aktivita bakterií urychlení klíčení semen, růst prodloužení života myší (1 mGy) u lidí léčivé účinky radioakt. koupelí (Jáchymov) – revmatismus, inf. onemocnění nervového systému, poruchy vylučování žluči