18

Билет 18

1.Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада. Типы радиоактивных превращений ядер. Понятие активности радионуклида.

Единицы измерения радиоактивности.

Радиоактивность (от лат. radio — «излучаю», radius — «луч» и activus —

«действенный»), радиоактивный распад — явление спонтанного превращения атомного ядра в другое ядро или ядра. Радиоактивный распад сопровождается испусканием одной или нескольких частиц (например, электронов, нейтрино, альфа-частиц, фотонов). Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.

Радиоактивность открыта в 1896 г. А. Беккерелем, который обнаружил проникающее излучение солей урана, действующее на фотоэмульсию. Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То есть это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу —урану.

В1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;

лучи второго типа отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц (в противоположную сторону), их назвали β-лучами;

лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ- излучением.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц —непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

Внастоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с эмиссией нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление.

ластерная радиоактивность, кластерный распад — явление самопроизвольного испускания ядрами ядерных фрагментов (кластеров) тяжелее, чем α-частица.

Внастоящее время экспериментально обнаружено 25 ядер от 114Ba до 241Аm (почти все они — тяжёлые), испускающих из основных состояний кластеры типа 14С, 20О, 24Ne, 26Ne, 28Mg, 30Mg, 32Si и 34Si. Энергии относительного движения вылетающего кластера и дочернего ядра Q меняются от 28 до 94 МэВ и во всех случаях

оказываются заметно меньшими высоты потенциального барьера VB. Таким образом, кластерный распад, как и альфа-распад, обусловлен туннельным эффектом — запрещённым в классической физике прохождением частицы сквозь потенциальный барьер.

Кластерный распад можно рассматривать как процесс, в некотором смысле промежуточный мажду альфа-распадом и спонтанным делением ядра.

Электронный захват, позитронный распад (или β+-распад), а также двойной бета-распад

(и

его виды) обычно считаются различными типами бета-распада. Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов

распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Радиоактивные ряды (семейства) - цепочка радиоактивных превращений. Выделяют 3 естественных радиоактивных ряда и 1 искусственный. Естественные ряды:

ряд тория (4n Th-232) ряд радия (4n+2 U-238) ряд актиния (4n+3 U-235)

Искусственный ряд:

ряд нептуния (4n + 1 Np-237)

После альфа- и бета-радиоактивных превращений ряды заканчиваются образованием стабильных изотопов.

Беккерель (обозначение: Бк, Bq) — единица измерения радиоактивности в системе СИ.

Беккерель определяется как активность такого количества вещества, в котором, в среднем, за одну секунду происходит один радиоактивный распад. Через другие единицы измерения СИ беккерель выражается следующим образом:

Бк = с−1 Единица названа в честь французского учёного Антуана Анри Беккереля.

Во всех случаях, когда речь идёт об измерении радиоактивности, предпочтительно использовать беккерель вместо с−1. Это правило принято для того, чтобы предотвратить неправильную интерпретацию и привлечь внимание к возможной опасности измеренной величины для здоровья людей.

Беккерель — очень маленькая единица измерения, на практике, как правило, используются кратные единицы, образованные с помощью десятичных приставок. Однако в исследованиях крайне редких радиоактивных процессов используются и дольные единицы (милли- и микробеккерели).

Раньше для измерения радиоактивности использовалась внесистемная единица измерения кюри:

1 Ки = 3,7·1010 Бк (точно).

2. Радиационное поражение структуры и функций ДН Повреждения ДН

ДНК может повреждаться разнообразными мутагенами, к которым относятся окисляющие и алкилирующие вещества, а также высокоэнергетическая электромагнитная радиация — ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, ультрафиолет повреждает ДНК путём образования в ней димеров тимина, которые образуются при образовании ковалентных связей между соседними основаниями. Оксиданты, такие как свободные радикалы или перекись водорода приводят к нескольким типам повреждения ДНК, включая модификации оснований, в особенности гуанозина, а также двуцепочечные разрывы в ДНК. По некоторым оценкам в каждой клетке человека окисляющими соединениями ежедневно повреждается порядка 500 оснований. Среди разных типов повреждений наиболее опасные — это двуцепочечные разрывы, потому что они трудно репарируются и могут привести к потерям участков хромосом (делециям) и транслокациям.

Многие молекулы мутагенов вставляются (интеркалируют) между двумя соседними парами оснований. Большинство этих соединений, например, этидий, дауномицин, дохорубицин и

талидомид имеют ароматическую структуру. Для того чтобы интеркалирующее соединение могло поместиться между основаниями, они должны разойтись, расплетая и нарушая

структуру двойной спирали. Эти изменения в структуре ДНК мешают транскрипции и репликации, вызывая мутации. Поэтому интеркалирующие соединения часто являются канцерогенами, наиболее известные из которых — бензопирен, акридины, афлатоксин и бромистый этидий. Несмотря на эти негативные свойства, в силу их способности подавлять транскрипцию и репликацию ДНК, интеркалирующие соединения используются в

химиотерапии для подавления быстро растущих клеток рака. Разрывы хромосом - одна из причин радиационно-индуцированных повреждений ДНК.

Основные типы повреждения ДН

Изменения первичной структуры (повреждение одиночных нуклеотидов (азотистых оснований )— окисление, алкилирование и гидролиз

Изменения вторичной структуры (повреждение пары нуклеотидов , разрыв водородных связей)

Изменения третичной и четвертичной структуры ДНК и ДНП (единичные и двойные разрывы ДНК, образование сшивок (между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК, образование сшивок ДНК-белок), перераспределение ядерных белков Перекисное окисление липидов (ПОЛ) — окислительная деградация липидов, происходящая, в основном, под действием свободных радикалов. Один из главных эффектов облучения макромолекул; один из механизмов образования радиотоксинов. Радиотоксины — группа веществ, образующихся под воздействием ионизирующей радиации в организме, пищевых продуктах и питательных средах и обладающих свойствами имитировать и увеличивать радиобиологические эффекты (возможно определяют дистанционное действие радиации, т.наз. абскопальный эффект).Выделяют липидные и хиноновые радиотоксины.

При облучении растворов ДНК в ней появляются изменения, затрагивающие первичную и вторичную структуру и имеющие разный относительный радиационнохимический выход:

Таким образом, повреждение азотистых оснований при облучении растворов ДНК - наиболее частое явление.

Радиационно-химические изменения азотистых оснований

Радиочувствительность азотистых оснований возрастает в следующем порядке:

гуанин < аденин < цитозин < тимин. Основными причинами радиационного изменения оснований являются следующие:

прямое попадание кванта в основание и поглощение им энергии излучения, ионизация основания, возникновение радикала и его дальнейшая пострадиационная модификация в результате взаимодействия с кислородом и водой

прямое поглощение энергии кванта белковыми молекулами нуклеопротеида с последующей миграцией энергии с белка на ДНК и ее реализацией в первую очередь на пиримидинах

непрямое изменение основания под действием реакций с продуктами радиолиза воды, главным образом, с ОН· и акватированным электроном

непрямое изменение основания вследствие реакций с атомарным водородом, образующимся из органических молекул, входящих в состав хроматина

воздействие на основания ДНК радиотоксинов.

При радиолизе азотистых оснований наблюдаются два типа реакций: модификации и “потери”.К модификациям оснований относят дезаминирование их, образование гидратов и димеров пиримидинов(в первую очередь-тиминовых),образование ксантина, гипоксантина и 8-оксиаденина из пуринов. К “потерям” относят образование гидроперекисей и гликолей пиримидинов, образование производных пиримидинов из пуринов и разрыв колец азотистых оснований.

Разрывы нитей ДН

Считают, что радикалы ОН· атакуют дезоксирибозу, удаляют водород от С5, который замещается на О2 с образованием пероксидного радикала. Это приводит к разрыву связи между 4 и 5 углеродными атомами и к последующей элиминации неорганического фосфата. Так реализуется около 80% одиночных разрывов. Число одиночных разрывов(ОР) пропорционально дозе облучения в диапазоне доз от 0.05 до 1000 Гр. При дозе 1 рад в ядре соматической клетки возникает около 10 одиночных разрывов. Двойные разрывы являются результатом накопления единичных разрывов. Соотношение между двойными и единичными разрывами примерно равно1:5-1:10. Накопление разрывов находится в прямой зависимости от дозы. При дозе 1 рад в ядре соматической

клетки возникает приблизительно 10 единичных разрывов. Кластеры (места наибольшей локализации) двойных разрывов характеризуются появлением низкомолекулярных фрагментов ДНК; образование их зависит от ЛПЭ.

Биологические последствия разрывов неоднозначны и зависят от состояния репарирующих систем клетки. Одиночные разрывы легко восстанавливаются и не ведут к гибели клетки. Двойные разрывы восстанавливаются хуже и являются основной (но не единственной) из причин летального эффекта радиации.

Денатурация ДН

Под действием ионизирующей радиации происходит образование зон денатурации, за счет чего уменьшается гиперхромизм и температура плавления ДНК. Зоны плавления ДНК сгруппированы вокруг одиночных разрывов и включают в себя около 10 пар нуклеотидов (на некоторых объектах зарегистрировано, что на 1 одиночный разрыв приходится 13 - 24 разрывов водородных связей). Радиационная деспирализация более эффективно идет на участках ДНК , обогащенных АТ-парами. Механизм повреждения водородных связей может быть обусловлен: дезаминированием оснований, содействующем разрыву водородных связей; проникновением молекул воды внутрь двойной спирали в результате возникновения одиночных разрывов в полинуклеотидных цепях и заменой водородных связей на связи между основаниями и молекулами воды.

Нарушение третичной структуры ДН

Лабилизация связи ДНК - Белок, особенно связи ДНК с лизинбогатым гистоном, влечет за собой нарушение конфигурации (компактизации) ДНК, происходит релаксация сверхскрученных петель. Считают, что ядерные белки, входящие в состав ДНП, играют активную роль в определении целостных ДНП после облучения. При этом имеется в виду не только защитная роль белка, но и значение белка как фактора, способствующего реализации радиационного повреждения. Было также установлено пострадиационное нарушение способности молекул ДНП к нормальному взаимодействию между собой. Нарушение межмолекулярного взаимодействия, вероятно, происходит из-за повреждения групп, ответственных за молекулярное связывание или выхода из комплекса части белковых молекул, содержащих эти группы. Эффект действия радиации на ДНПструктуры зависит от степени завершенности образования этих объектов.

Образование сшивок

Кроме эффекта деградации ДНК (снижения молекулярной массы) облучение вызывает появление молекул с повышенной молекулярной массой. Такие молекулы возникают в результате межмолекулярных сшивок. Сшивки ДНК - ДНК являются результатом того, что облучение вызывает образование в облученной ДНК радикалов и одиночных разрывов, что приводит к тому, что реакционно-способные группы вступают во взаимодействие (ковалентное связывание). Помимо межмолекулярных сшивок, возникают и внутримолекулярные сшивки за счет ковалентных связей между радикалами оснований. Чаще возникают сшивки между пиримидинами(особенно часто - димеры тимина).В результате сшивок ДНК - ДНК образуется нерастворимый гель, а при электронной микроскопии выявляются разветвленные структуры ДНК.

Суммируя результаты экспериментов по радиолизу ДНК в растворе, можно указать, что:

наиболее радиочувствительными структурами являются НМС - ДНК, которые поражаются при дозах меньше 5 Гр (величина радиационнохимического выхода для этого процесса равна 300);

при дозах порядка 10-50 Гр происходят изменения во вторичной структуре ДНК (выход для частичной денатурации равен 18, а для полной денатурации

- 10);

первичная структура ДНК изменяется при облучении ее растворов дозами более 300Гр: происходят разрушения хромофоров и другие изменения оснований ( выход для изменения пиримидинов равен 3, для изменения пуринов - 1.5, для образования единичных разрывов - 0.75, для образования сшивок - 0.37 и для образования двойных разрывов в цепях ДНК - 0.1 ).

3. Теории биологического действия ионизирующего излучения. Сдвиг парадигмы в радиобиологии.

В истории возникновения и развития взглядов на механизмы биологического действия радиации существовало несколько этапов.

Первой количественной теорией является теория «точечного тепла» или «точечного нагрева»(Ф.Дессауэр-1922):

ионизирующее излучение обладает очень малой объемной плотностью по сравнению с другими излучениями

излучение обладает большой энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи

облученный биологический объект состоит из относительно безразличных и весьма существенных для жизни микрообъемов и структур

в облучаемом объекте при поглощении относительно небольшой общей энергии в отдельных, случайных и редкорасположенных микрообъемах оставляются настолько большие порции энергии, что их можно сравнить с

микролокальным нагреванием

так как распределение «точечного тепла» является чисто статистическим, то конечный эффект в клетке будет зависеть от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри клетки; с увеличением дозы увеличивается вероятность таких попаданий и наоборот.

Теория "мишени или попаданий", поставила во главу угла представления о прямом действии ионизирующего излучения на клетки(30-е годы). Она была развита Дж. Кроутером, В.Н. Тимофеевым-Ресовским, Д. Ли, Р. Циммером и др. Основные ее положения заключаются в том. что ионизирующая частица или гамма-квант одномоментно действуют на чувствительную часть структуры или молекулы клетки, вызывая их ковалентные или химические перестройки, приводящие к изменению химических свойств и биологических функций. Если такой структурой является геном (молекула ДНК), то следствием действия излучения, в рамках данной теории, будут радиационные мутации. Была выявлена количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом (кривые "доза-эффект"): с увеличением дозы происходит увеличение в геометрической прогрессии количества повреждений в клетке. Однако теория мишени не учитывала кинетики первичных реакций. С ее позиций невозможно объяснить развитие первичных физико-химических реакций во времени и их зависимость от условий внешней и внутренней среды организма.

Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия излучений. Выразителями этой точки зрения являлись О. Хуг и А. Келлерер(1966). Суть их взглядов заключалась в том, что взаимодействие излучений с клеткой происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость "дозаэффект" обуславливается не только прямым попаданием в молекулы и структурымишени, но и состоянием биологического объекта как динамической системы, так как гомеостатическая система клетки поддерживается многочисленными механизмами регуляции и может с определенной вероятностью спонтанно нарушаться. Авторы приходят к выводу. что "...первичные физические или физико-химические изменения являются только начальным толчком для тех процессов, в которых участвуют многочисленные компоненты системы и которые в конце концов могут привести к биологически обнаруживаемому эффекту...".Эта теория учитывает данные о микрораспределении энергии, вариабельность радиочувствительности, роль репарационных процессов в развитии радиобиологического эффекта.

Б.И. Тарусовым и Ю.Б. Кудряшовым было показано, что свободные радикалы могут возникать при действии радиации и в неводных средах - в липидных слоях биомембран.

Эта теория получила название "теории липидных радиотоксинов".

Своеобразной интегральной теорией, объясняющей биологическое действие ионизирующих излучений является структурно-метаболическая теория(1976). Автор этой теории А.М. Кузин считает, что нарушения под действием радиации обусловлены деструкцией всех основных биополимерных молекул, цитоплазматических и мембранных структур в живой клетке.

За основу гипотезы взято действие первичных радиотоксинов, которые представляют собой комплекс веществ-метаболитов, обладающих токсическими свойствамиэто хиноны и ортохиноны, которые всегда в небольших количествах содержатся в здоровых тканях. При действии радиации содержание их значительно увеличивается, и дополнительно появляются новые токсические соединения. Первичные радиотоксины образуют большое количество вторичных радиотоксинов, которые играют существенную роль в исходе лучевого поражения.

Современные теоретические представления о биологическом действии ионизирующих излучений можно свести к стохастическому механизму реализации теории мишени и принципа попаданий, но с расширительной биологической интерпретацией объема попадания и событий, происходящих как во время размена энергии, так и в ближайшее время после него, в том числе, процессов репарации.

С учетом новых данных молекулярной и клеточной радиобиологии, удается непротиворечиво объяснить все многообразие радиобиологических эффектов и их модификацию на разных уровнях биологической организации - от клетки до организма, а также зависимость эффектов от условий радиационного воздействия - качества излучения, величины дозы и ее распределения во времени.

4. Радиоиндикаторные методы в биологических исследованиях. Характеристика часто применяемых радионуклидных “меток”. Правила работы с радионуклидами.

Методы колич и(или) качест анализа с использованием рн в качестве маркера хим. Соед-й. + :-Хим инертность(если в макромолекуле заменить несколько атомов(стабильных) на рн,то свойства не меняются)

-выс чувствительность-(нг количество метки)

-:-«обезличенность» излучения особ регистрации -особенности регистрации: рад фон, калибровочн прибор

Соединения меченные рн

1.Соединения с замен-м атомом 1Н-3Н(бета /12.3 года);12С- 14С (бета / 5730 лет)

Пример:тимидин-5 трифосфат,[6-3Н] к 6 атому метка-[метил-3Н]

2. Соед-я , модиф рн или ра фрагментом 1Н-131I, иодирование

Пример рн и их храктеристики:3Н (бета ), 14С (бета / 5730 лет), 33P(бета), 32P(бета,Емакс =1,71), 35S(бета), 131I (бета / 8 дней), 125I (кз, Емин =0,006 )

Требования к рн:

-элемент должен входить во все органы -время полураспда д.б. 10-100 дней

- чистый бета излучатель и Е изл не больше 0,4 МэВ

Технические характеристики:

Рн-я частота %, х-ка препарата,содер рн метку Радиохим-я частота %, содерж осн в-ва в препарате Объемная активность, Мега Бк/мл, милиКи/мл Молярная активность, Бк/моль, Ки/моль

Регистрация излучения-радиометрия Метод: 1.Авторадиография (радиоавтография)— метод изучения распределения

радиоактивных веществ в исследуемом объекте

Техника исследования

Пленка (фотоматериал) с чувствительной к радиоактивному излучению фотоэмульсией накладывается на поверхность или срез объекта. Для получения распределения тех или иных веществ в объекте используют маркирование нужных молекул изотопным индикатором. Радиоактивные вещества, содержащиеся в объекте, как бы сами себя фотографируют (отсюда название). После проявления места затемнения на пленке соответствуют локализации радиоактивных частиц.

Метод используется в медицине, технике, а также в биологии, например, для изучения процессов фотосинтеза, где просдеживается след радиоактивного диоксида углерода, проходящего через различные химические стадии.

Фотографическое изображение распределения радиоактивных веществ, полученное методом авторадиографии, называется авторадиограммой, или радиоавтографом

Существуюет прямая(опыт с солями урана, Беккерель, бета частицы),непрямая(бета частицы+ у),флюрография(фоточувствительный материал).

2.Сцинтилляционная радиометрия

Чистые бета изл-ли.

Состав:растворитель(ксилол,тулулол), солюбизатор, втоичн сцинтиллятор,сместитель спектра.

Регистр активности(количество распадов в каждой пробе),имп/сек. Наташ посмотри в тертрадеи,я здесь это не нарисую