Radiační biofyzika 1. Historie 2. Vývoj představ o povaze hmoty 3. Přírodní zdroje ionizujícího záření 4. Zdroje záření vytvořené člověkem 5. Rozdělení energie deponované zářením na mikroskopické úrovni 6. Radiační chemie 7. Reparace DNA po ozáření 8. Cytogenetická úroveň účinku záření na buňku 9. Vznik bodových mutací po ozáření 10.Letální účinky záření 11.Závislost citlivosti buněk na LPE záření 12.Přežití a mutageneze při ozáření hustě ionizujícím zářením 13.Modely mutagenního účinku záření s vysokým LPE 14.Účinek záření na tkáně 15.Účinek záření na organismy 16.Žhavá témata současnosti v radiační biofyzice Isaac Newton Isaac Newton (1643-1727), anglický fyzik, matematik a astronom. V roce 1671 zkonstruoval první zrcadlový dalekohled. Vymyslel korpuskulární teorii světla. Gravitační zákon, základy klasické mechaniky. Anton van Leeuwenhoek, 1632-1723 První pozorování pod mikroskopem Pracoval v obchodě, kde se používaly zvětšovací sklíčka k počítání vláken v látce. První viděl a popsal bakterie, červy, spermie, krevní buňky a život v kapce vody. Během svého života pozoroval svým mikroskopem velký počet věcí. Jeho pozorování otevřely nový svět. Antoine Lavoisier (1785) 1) Povaha hoření – ukázal, že se jedná o reakci s kyslíkem. Ukázal, že koroze kovů je oxidace, a že dýchání je vlastně pomalé spalování organického materiálu inhalovaným kyslíkem. 2) Experimenty s vodíkem – vzniká rosa, což je voda – to bylo důvodem pro vyvrácení teorie flogistonu. 3) Pokusy v uzavřeném prostoru – celková hmotnost se nemění. Antoine Lavoisier (1743-1799), francouzký chemik, zakladatel moderní chémie, prokázal, že při spalování dochází k reakci s kyslíkem. Popraven za spekulace s pozemky. Flogiston – Johan Becher, 1667, vysvětluje hoření (látky, které hoří obsahují flogiston a ten přechází do vzduchu, vzduch má jen určitou kapacitu pro flogiston, a proto v uzavřeném prostoru neshoří vždy vše. Kyslík – vzduch zbavený flogistonu. Přístroj pro experimenty s hořením využívající sluneční světlo zaostřené pomocí čoček na hořlavý materiál, 1770. Thomas Young Thomas Young (1773-1829), anglický lékař, fyzik a filosof. Thomas by zázračné dítě, uměl ve 2 létech číst a v 6 se začal učit latinu. V 16 uměl latinu a řečtinu a další jazyky. V 19 se rozhodl pro medicínu, v 28 profesorem a začal experimentoval se zvukem a světlem. Objevil interferenci světla. Jeho výsledky přesvědčivě ukázaly vlnovou povahu světla. V roce 1801 navrhnula provedl tzv. „douštěrbinový experiment“. Před ním to navrhovali: - Robert Hooke (objasnění barev na tenkých vrstvách) - Christian Huygens (objasnění konečné rychlosti světla změřené Roemerem podle zákrytů Jupiterových měsíců) Neprosadili se proti uznávanému Newtonovi. První přiřadil výrazu mv2 energii a výrazu F.x vykonanou práci úměrnou energii. Zabýval se pružností materiálů. V roce 1814 zanechal lékařské praxe, aby se mohl věnovat pokusům. Robert Brown, 1828 1) Výprava do Austrálie 2) Objev Brownova pohybu 3) Objev jádra buňky BuBuňňky a jejich jky a jejich jáádradra jádra Robert Mayer (1842) Zabýval se kinetickou teorií plynů, zjistil, že mechanická energie se mění na teplo – nalezl ekvivalent. Podobné experimenty prováděl také Joule a o prioritu se vedly spory. Mayer také odvodil rovnici pro specifické teplo plynu při konstantním tlaku a objemu: cp-cv=R Julius Robert von Mayer (1814-1878), německý lékař a fyzik. Zabýval se kinetickou teorií plynů Charles Darwin, 1838 Anglický přírodovědec, na svých cestách se zabýval rozdělením různých forem života a fosílií na povrchu Země. Vymyslel teorii přirozeného výběru (1838) a přesvědčil vědeckou komunitu, že druhy se vyvíjejí v čase ze společného předchůdce – teorie evoluce. Na obr.: loď Beagle u břehu Jižní Ameriky, trasa lodi. Schleiden, Schwann, Virchhow a další Buněčná teorie – 1. polovina 19. století • Všechny formy života jsou tvořeny jednou či více buňkami 2) Buňky vznikají pouze z jiných buněk 3) Buňka je nejmenší formou života James Maxwell 1) Kinetická teorie plynů – formuloval nezávisle na Boltzmannovi. Jeho rovnice udává část molekul plynu, jež se pohybuje určitou rychlostí pro libovolnou teplotu. 2) Dynamická teorie elektromagnetického pole – světlo je elm. vlnění a jeho rychlost je 300000000 m/s. 3) Přispěl k barevné fotografii (3 projekce s různými filtry). Ernst Haeckel 1866 – dědičná informace je v jádře Ernst Haeckel byl německý biolog, filosof a fyzik. Objevil tisíce druhů, zmapoval genealogický strom všech form života. Je autorem teorie rekapitulace (ontogeneze opakuje fylogenezi – viz obrázek dole vlevo). Na obrázku – sasanky z knihy „Kunstformen der Natur“ Friedrich Miescher, 1869 - nuclein Miescher objevil nukleovou kyselinu – molekulární substrát genetického kódu a nazval ji nuclein. Na buněčný extrakt působil pepsinem Ukázal, že zůstane látka, která 1) Je v jádře buněk 2) Je rozpustná v louhu, né v kyselině 3) Obsahuje fosfor (kromě C, H, O) Walther Flemming, 1882 – dělení buněk BuBuňňka pka přřed ded děělenleníímm Walther Flemming:Walther Flemming: prvnprvníí pozoroval dpozoroval děělenleníí bunbuněěk, zavedlk, zavedl pojem mitpojem mitóóza a chromatinza a chromatin MitotickMitotickéé chromosomychromosomy ChromosomChromosom CentroCentro meramera InterfInterfááznzníí bubuňňkaka Johan Gregor Mendel: zákony dědičnosti (1866) KKřříížženeníí vlastnostvlastnostíí v potomstvuv potomstvuJ. G. MendelJ. G. Mendel Dvojice alel genDvojice alel genůů kontrolujkontrolujíí dděědidiččnost znaknost znakůů Interakce dvou alel vede k expresi pouze jednInterakce dvou alel vede k expresi pouze jednéé z nichz nich DominantnDominantníí alela (DA)alela (DA) –– exprimuje se vexprimuje se vžždydy RecesivnRecesivníí alela (RA)alela (RA) –– nenneníí exprimovexprimováána v pna v přříítomnosti DAtomnosti DA Joseph Thomson (1897) V roce 1897 studoval Thomson katodové záření v plynech. Toto záření bylo možné ovlivnit jak elektrickým, tak magnetickým polem a bylo možné pro nositele tohoto záření vypočítat poměrně přesně poměr náboje a hmotnosti (e/m). Thomson ze svých experimentů usoudil, že se jedná o nový druh částic, nazval je elektrony a vyjádřil hypotézu, že elektrony vznikají z atomů – tedy že jsou původně jejich součástí. Představoval si, že atomy jsou tvořené kladně nabitým jádrem a záporným oblakem elektronů. Wilhelm Roentgen Vzniká v rentgence při dopadu elektronů na anodu nebo antikatodu. Většinou anoda slouží pro vytvoření elektrického pole a vkládá se další elektroda – antikatoda pro dopad elektronů, kde se tvoří záření. Dole je anoda, nahoře katoda, uprostřed antikatoda odkud vychází záření Boveri Theodor Boveri Dlouhou dobu se vědci domnívali, že nukleová kyselina v jádře buňky je rozprostřena náhodně všude se stejnou pravděpodobností. Pozorování mitotických chromosomů však vedlo již koncem 19. století některé badatele k závěru, že také v interfázi si mohou chromosomy uchovat svou identitu (genetickou a strukturální) (Rabl 1885, Boveri 1888). Theodor Boveri:Theodor Boveri: dděědidiččnost je vnost je váázzáána nana na chromosomy (1887), po znovuobjevenchromosomy (1887), po znovuobjeveníí Mendlových zMendlových záákonkonůů Hugo de VriesemHugo de Vriesem (1900) pokra(1900) pokraččuje ve výzkumu duje ve výzkumu děědidiččnosti.nosti. Max Planck Roku 1899 objevil základní fyzikální konstantu, dnes nazývanou Planckova konstanta. Téhož roku popsal sadu tzv. Planckových jednotek, udávající přirozená měřítka času, prostoru a hmotnosti. O rok později pak objevil správný zákon vyzařování černého tělesa – průlomový článek v Annalen der Physik vyšel roku 1901. Pro vysvětlení zákona vyzařování Planck formuloval hypotézu kvantování energie oscilátorů. (Skutečný dosah myšlenky kvantování si ovšem uvědomil teprve Albert Einstein o pět let později, postuloval kvantování energie elektromagnetického pole a touto teorií okamžitě vysvětlil fotoefekt.) Thomas Hunt Morgan, 1910 -v roce 1910 objevil pohlavně vázanou dědičnost, činí závěr, že gen „white“ se nachází na pohlavním chromosomu -v roce 1913 objevil „crossing over“ a „linkage“ mezi geny -ukázal, že geny se nacházejí v určitých místech na chromosomech, sestavil se studenty první chromosomovou mapu. Marie Sklodowská Curie a Pierre Curie Objev a výzkum radioaktivity. Výzkumy uranové rudy po čtyřech letech vedly nejprve k objevu polonia, jež Skłodowska pojmenovala po své vlasti, a posléze mnohem radioaktivnějšího radia (první gram radia izolovala ze smolince pocházejícího z Jáchymova). Výsledkem bylo také vyjasnění pravděpodobných příčin radioaktivity - jako efektu při rozpadu atomových jader. V roce 1903 jako první žena v historii získala titul doktora fyziky a ve stejném roce jí byla udělena Nobelova cena za fyziku. Během války zaváděla mobilní rentgenové jednotky, kterými bylo vyšetřeno tisíce vojáků. Tyto jednotky byly vybaveny trubicemi s radiovou emanací (radonem). Albert Einstein Albert Einstein (1879-1955) německý fyzik, emigroval do USA. V roce 1909 publikoval speciální teorii relativity, která změnila chápání prostoru a času a patří k největším objevům vůbec. Profesorem se stal v roce 1911 na universitě v Praze. V roce 1915 formuloval obecnou teorii relativity. Jeho příspěvky jsou velmi podstatné také v oblasti kvantové teorie, za fotoefekt obdržel Nobelovou cenu. V oblasti statistické fyziky objasnil Brownův pohyb. V roce 1939 upozornil Roosvelta na nebezpečí vzniku atomové zbraně v Německu, což vedlo k rozhodnutí o ývoji této zbraně v USA. Ernest Rutherford Ernest Rutherford (1871-1937), britský fyzik původem z Nového Zélandu, profesor na universitě v Cambridgi, člen Královské společnosti v Londýně. Studoval radioaktivitu, objevil prvek radon. 1911 – navrhl planetární model atomu, 1919 – uskutečnil první umělou transmutaci prvků, přeměnu dusíku na kyslík Nobelova cena v roce 1908 za transmutaci prvků Genetický materiál lze přenést do jiných buněk jako neživou látku (Griffith, 1928) Myš, které je injikován S-kmen Pneumococcus umírá Myš, které je injikován R-kmen přežívá. Extrakt z S-kmene (buňky nedají kolonie) transformuje R-kmen na virulentní S-kmen DNA je genetický materiál (Avery et al., 1944) Avery, MacLeod, and McCarty, 1944, vyčistili extrakt S-kmene, aby bylo možné lépe charakterizovat transformaci. •Extrakt byl rezistentní k proteázam, neobsahoval lipidy a uhlovodíky •Jestliže byla DNA v extraktu zničena, transformace nenastala •Čistá DNA izolované z S-kmene transformovala R- kmen •Avery opatrně naznačil, že genetickým materiálem je DNA James Watson a Francis Crick Dvojice bazí Řetězec fosfát-cukr Watson a Crick, 1953 – struktura DNA, DNA kód Roger Kornberg, 1974 Nukleosomové jádro (oktamerní komplex histonů) H1 histon 6 nm DNAHistony (H2A a H2B) a (H3 a H4) tvoří dimery, ty tvoří tetramery a dohromady pak vzniká oktamer Thomas Cremer První experimenty, které vedly k závěru, že chromosomy se nacházejí v jádře v podobě ohraničených domén, byly pokusy T. Cremera v létech 1982-1984. Zavedení FISH podstatně urychlilo poznání chromosomů jak v mitóze, tak v interfázi.