Radiační biofyzika Přednáška 6 2022 Radioaktivní přeměny, Interakce IZ RADIOAKTIVITA • X → Y + n částic (+E) • Základní hmotnostní podmínka radioaktivity: M(X) > M(Y) + M(ČASTIC) • Energie uvolněna při radioaktivní přeměně: E[přeměny] = E[kin](Y) + E[kin](ČASTIC) + E[γ] POLOČAS ROZPADU Základní typy přeměn (8 typů + 3 procesy deexcitace) Základní typy přeměn (8 typů + 3 procesy deexcitace) Skupiny radioaktivních přeměn: 2.měni se Z i A • α, • emise nukleonů • emise těžších jader ^14C, ^24Ne, • SŠ = samovolné štěpení 8 základních přeměn • Všechny jsou doprovázeny emisí elementárních částic, které jsou schopny ionizovat okolní látku ZASTOUPENÍ JEDNOTLIVÝCH TYPŮ RADIOAKTIVNÍCH PŘEMĚN ZÁKONY PLATNÉ PŘI RADIOAKTIVNÍCH PŘEMĚNÁCH Spontánní α rozpad uranu Hmotnostní přebytek nuklidu Další typy přechodů SAMOVOLNÉ ŠTĚPENÍ SAMOVOLNÉ ŠTĚPENÍ SAMOVOLNÉ ŠTĚPENÍ Interakce ionizujícího záření s hmotou a biologickými systémy vysvětlení základních procesů v neživé a živé hmotě, které jsou vyvolány interakcí s ionizujícím zářením (IZ) PRONIKAVOST IZ • Absorbce IZ vyvolává v živých systémech procesy, které jsou charakteristické • svou komplexností • extrémním časovým rozpětím (od attosekund [10^-18] po několik desetiletí) • Pro lepší porozumění můžeme rozlišit několik fází (obr. vlevo): • Fyzikální • Fyzikálně-chemickou • Chemickou / biochemickou • Biologickou • Medicínskou • rozhraní těchto fází jsou však neostré a v literatuře panují značné rozdíly zejména s ohledem na dobu jejich trvání • Nejprve IZ interaguje s biologickými systémy řadou fyzikálních pochodů, které se nijak neliší od interakcí záření s neživou hmotou (viz dále) • Totéž lze v principu říci i o chemické fázi, do interakcí však vstupují i biomolekuly specifické pro živé systémy Interakce IZ s hmotou • Absorbce IZ vede k postupnému předání energie záření hmotě, což vyvolá v ozářené látce nejprve procesy VYSOKÁ ÚČINNOST IZ • Za zmínku stojí, že ve srovnání s jinými formami energie je energie ionizujícího záření nezbytná k poškození či dokonce usmrcení člověka relativně velmi malá • Například při celotělové expozici 10 Gy (10 J.kg^-1) záření gama, tj. dávce, která již vyvolá smrtelnou formou nemoci z ozáření (LD[50]~4 Gy), předá záření člověku o hmotnosti 80 kg pouze 800 J. • Přestože tato dávka 10 Gy zvýší tělesnou teplotu člověka pouze o 0,002 °C, je schopna vyvolat smrt. • Přitom třeba k ohřátí 1 l vody o 1 °C potřebujeme 4180 J, tj. energii více než 4x větší. Interakce IZ s hmotou Interakce IZ s (živou) hmotou • CHEMICKÉ STÁDIUM • Vzájemnou rekombinací vytvořených radikálů některé z nich zanikají, a přestávají tak být pro biomolekuly nebezpečné; například vzniká opět voda • H^● a OH^● à H[2]O • Zbývající radikály mezi sebou též reagují za vzniku dalších více či méně reaktivních molekul [• ]např. H^● a OH^● (+O[2]) à H[2] a H[2]O[2] • Radikály a další reaktivní molekuly zároveň napadají další a další molekuly ve svém okolí Fyzikální až chemické stádium interakce IZ s hmotou Specifika biologických systémů • Až do chemického stádia je interakce neživé hmoty a živých organismů s IZ principiálně stejná, • U živých organismů však do chemických reakcí vstupují i biomolekuly • K fyzikálním a chemickým procesům se proto u živých organizmů následně přidávají i specifické procesy • chemické • biologické • eventuálně medicínské Chemické stádium interakce IZ s hmotou – specifika biologických systémů • Nezrekombinované ionty, radikály, excitované atomy a další produkty reagují s biologicky důležitými organickými molekulami • "atakují" DNA, RNA, enzymy, strukturní proteiny, lipidy membrán přičemž často mění složení a funkci těchto molekul. POŠKOZENÍ DNA – prvotní nastínění problému • Typickou poruchou na molekulární úrovni jsou zlomy vlákna v molekule DNA • buď zlom jen jednoho vlákna (SSB, single strand break), • nebo úplný zlom dvojvlákna DNA (DSB, double strand break) à nejzávažnější poškození DNA • Dále mohou vznikat atypické vazbové "můstky" uvnitř dvouvlákna DNA a mnohé další chemické změny cukr-fosfátové páteře DNA i jednotlivých bazí (problematice poškození DNA bude věnována samostatná přednáška). Chemické stádium interakce IZ s hmotou – specifika biologických systémů • Jednotlivé procesy chemického stádia trvají různě dlouhou dobu - od tisícin sekundy do řádově jednotek sekundy, v závislosti na transportní době reaktivních složek z místa svého vzniku do místa lokalizace napadené biomolekuly. • Zlomy v DNA mohou ale vznikat i přímo následkem fyzikální interakce IZ nebo sekundárních (delta) elektronů (viz později) s DNA, nejen tedy následkem chemického poškození Interakce IZ s živou hmotou BIOLOGICKÉ PROCESY • Biologické procesy probíhají v extrémně dlouhém časovém období desítek minut až několik desetiletí (!!) po ozáření Interakce IZ – biologické stádium • Buňky v závislosti na rozsahu poškození umírají nebo přežijí a aktivují komplexní odpověď buňky na ozáření, zejména na poškození DNA (DDR – DNA Damage Response). • Cílem této odpovědi je opravit poškozené biomolekuly a navrátit buňku do původního stavu,