radioatividade--biologia-2019

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PRINCÍPIOS DE RADIOATIVIDADE
RADIOBIOLOGIA
Prof. Dra. Elisabeth Criscuolo Urbinati
Doutoranda: Camila F. P. Faria
2019
➢ Estrutura e representação dos átomos
➢ Radioatividade
➢ Fontes naturais e artificiais de radiação
➢ Fissão e fusão nuclear
➢ Isotopos e isômeros
➢ Emissões radioativas
➢ Radiobiologia
Estrutura dos átomos 
X
A
Z
X  símbolo do elemento
Z  número atômico (número de prótons)
A  número de massa (prótons + nêutrons)
A-Z = N (número de nêutrons)
Átomos
Elementos químicos naturais
Atualmente, a tabela periódica contem 118 elementos confirmados: do elemento 1
(hidrogênio) até o 118 (oganesson).
Os elementos 113 (Nihonium), 115 (Moscovium), 117 (Tennessine) e 118 (Oganesson)
foram confirmados oficialmente pela União Internacional de Química Pura e Aplicada
(IUPAC), em dezembro de 2015.
Elementos químicos naturais
Radioatividade (Origem)
Natural –
✓ fontes naturais na superfície
✓ radiações cósmicas (sol)
Artificial – Fissão e fusão nucleares
Casal Joliot-Curie, Frederic e Irene, demonstrou a
existência do nêutron e descobriu, em 1934, a
radioatividade artificial, bombardeando núcleos de
boro e alumínio com partículas alfa, o que lhe valeu o
prêmio Nobel de Química de 1935.
Experimento de Rutherford
Estrutura e representação dos átomos 
✓ partículas β- (negatron)
✓ partículas β+ (positrons)
✓ partículas α
Energia nuclear
Energia que mantém a ligação de p+ e n
Emissão espontânea de partículas ou energia a partir do núcleo 
de um átomo
Radioatividade
Radiação
ionização de átomos e moléculas
modificação química
Fontes artificiais de radiação
Geradores de Radiação:
✓ Tubo de raios X nos equipamentos de radiodiagnóstico;
✓ Aceleradores de partículas;
✓ Fontes de nêutrons;
✓ Irradiadores com radioisótopos.
Como usar a energia armazenada no núcleo do átomo? 
Fissão nuclear
Bombardeamento de núcleos – transmutação de 
elementos
Ex. Urânio 235Reação em cadeia
Fusão nuclear
Elementos químicos capazes de produzir
radiação
✓ ISÓTOPOS
✓ ISÔMEROS
ISÓTOPOS átomos de mesmo elemento químico com massas diferentes
✓ mesmo lugar na classificação periódica dos elementos
✓ mesmo número de prótons
✓ varia o número de nêutrons
Duas classes:
✓ Estáveis  não se modificam espontaneamente (não são 
radioativos). Ex: C12, N14, O16, ...
✓ Instáveis  emitem espontaneamente partículas ou energia 
pelo núcleo (radioisótopos). Ex: H3,I125, I131
Isótopos de urânio
Para a ocorrência de fissão nuclear em cadeia e produção de energia
em um reator nuclear, a amostra de urânio deve ter 32 átomos U235 para
968 U238 (3,2%)
Urânio na natureza - dióxido de urânio (UO2)
99,284% do isótopo U238;
0,711% do isótopo U235;
quantidade desprezível de U234.
Em 1000 átomos, 7 são U235 e 993 são U238 (0,7 %)
Urânio enriquecido é aquele cujo teor de U235 foi aumentado por
tratamento industrial do isótopo natural.
O urânio enriquecido tem entre 90% e 99% de U-235. Por essa
altíssima concentração, o produto gera uma energia absurda em
frações de segundo durante a fissão nuclear.
Por isso, o urânio enriquecido é usado nas bombas atômicas.
Alguns gramas dele causam mais destruição do que a observada
em Hiroshima, no Japão, em 1945.
Reator nuclear – 3,2 % / Bomba atômica – 90 %
Reator nuclear – geração de energia pela produção de calor 
originada na fissão nuclear
Reator nuclear – geração de energia pela produção de calor 
originada na fissão nuclear
Reator nuclear – geração de energia pela produção de calor 
originada na fissão nuclear
Alguns gramas de urânio enriquecido fornecem energia equivalente à da
queima de toneladas de carvão ou de milhões de litros de gasolina
Reator nuclear – geração de energia pela produção de calor 
originada na fissão nuclear
ISÔMEROS
Possuem mesmo número de prótons e nêutrons, mas
diferem no conteúdo de energia do núcleo.
Dois estados:
✓Metaestáveis (m)  excesso de energia.
✓ Fundamental após a emissão de energia
O estado metaestável de um átomo é causado pela
excitação de um próton ou nêutron no seu núcleo atômico,
de modo que estes sofram uma mudança de spin
(angulação estrutural) antes que possam liberar sua
energia extra.
ISÔMEROS
Emissões radioativas 
Primárias
Emissão alfa  um nuclídeo emite uma partícula e se
transforma em outro átomo.
Emissão beta  um nuclídeo emite uma partícula β-
(negatron) ou β+ (positron) e se transforma em outro
átomo.
Partícula 
Massa de um elétron
β- - elétron
β+ - anti-elétron
Emissão gama  um átomo, após emissão de partícula,
sofre rearranjo nuclear e emite radiação gama (energia
eletromagnética).
Não tem carga elétrica
Captura de elétrons (CE)  núcleo absorve elétron da
órbita K. Ao chegar no núcleo, o excesso de energia do
elétron é emitido como radiação gama ou Raios X.
Secundárias
Transição isomérica (TI)  Emissão de energia gama,
após rearranjo energético das partículas intra-nucleares.
Bromo, Tecnécio, Índio
Captura isomérica (CI) A radiação gama emitida pelo 
núcleo na transição isomérica é absorvida por elétrons 
orbitais, que são ejetados.
Propriedades das emissões radioativas
Capacidade de ionização da matéria
Capacidade de penetração da matéria
Propriedades das emissões radioativas
✓ Alfa  partícula mais pesada. Altamente ionizante. Mínima
penetração.
✓ Beta  massa ínfima. Menos ionizante, porém mais penetrante
que a partícula alfa.
✓ Gama  radiação menos ionizante de todas, porém altamente
penetrante
Múltiplos:
✓ Kilo elétron volt - keV  103 eV
✓ Mega elétron volt - MeV  106 eV
✓ Giga elétron volt - GeV 109 eV
Energia das radiações - Elétron volt 
Emissões radioativas ELÉTRON VOLT (eV)
Alta energia
1 eV = 1,6 x 10-19 J (unidade muito pequena)
Energia cinética adquirida por um átomo acelerado entre 2 pontos cuja 
diferença de potencial é 1 volt
Obs: Reações químicas  2 a 10 eV de Energia
keV
MeV
Comuns em 
radioisótopos 
usados em 
Biologia
Meia - Vida
Radioatividade de um material diminui ao longo do 
tempo (decaimento).
tempo necessário para a 
radioatividade cair à 
metade
Decaimento do iodo-131
MEIA VIDA (T ½) 
Unidades
Atividade de um radioisótopo – emissões na unidade de
tempo
✓ Becquerel (Bq) = 1 desintegração por segundo
✓ Curie (Ci) = 3,7 x 1010 Bq (Referência – 1 grama de Ra226)
Atividade específica – atividade x massa
✓ Ci.g-1 = 3,7 x 1010 . g-1
Dose de radiação (exposição)
✓ Roentgen – r - dose de exposição (quantidade de radiação necessária para
produzir 1,61o x 1012 pares de íons / kg ar seco a 0°C)
✓ Rem (roentgen equivalent man) - uma unidade de dose de radiação
✓ Sievert - 1 Sv = 100 rem
Dose absorvida (D)
✓ Rad – rd - dose absorvida de radiação (unidade antiga)
✓ Gray – Gy – absorção de energia (quantidade de radiação que deposita
energia de 1 joule por kg de massa do material absorvente)
Grandeza Unidade antiga ou especial Unidade SI Equivalência
Atividade (A) Ci (curie) Bq (becquerel) 1 Ci = 37 G Bq
Exposição (X) R (roentgen) Gy (gray) 1 Gy ≈ 100 R
Dose de radiação rem (roentgen equivalent man) Sv (sievert) 1 Sv = 100 rem
Dose absorvida (D) rad (Radiation absorbed dose) Gy (gray) 1 Gy = 100 rad
Dose equivalente (H) Sv (sievert)
Radiações ionizantes e excitantes
Alta frequência Baixa frequência
✓ Radiações ionizantes  Raios X e raios gama (possuem energia
suficiente para ionizar a matéria)
✓ Radiações excitantes Raios ultra violeta (U. V.)
Raios-X: Duros (muito energéticos); Médios e Moles (pouco
energéticos)
Raio X - propriedades
Tecido a ser radiografado
Tecido duro
Tecido mole
Tecido oco
Classificação – dependendo da capacidade de penetração da
radiação no tecido:
Usos da luz UV/ benefícios: 
✓ Acelerar reações fotossensíveis
✓ Esterilização (UVB)
✓ Luz negra (leitores óticos, lanternas)
✓ Germicida
✓ Polimerização de resinas
✓ Emprego terapêutico (fototerapia)
✓ Síntese de vitamina D (raquitismo)
✓ Antidepressivo “sazonal” (serotonina)
Luz Ultra-Violeta (UV) - Energiaexcitante
 energizando o átomo (calor, radiação γ ou X, eletricidade) -
elétrons absorvem energia e saltam para orbitais mais externas.
Na volta, a energia é devolvida como luz UV.
Radiação UV - principal fonte - sol (a porção UV < 10% de sua
energia total).
- Toda radiação com comprimento de onda menor que 400nm.
- O espectro UV é subdivido em faixas:
• UVA para 320 -400nm,
• UVB para 280 - 320nm,
• UVC para 200 - 280nm.
UVC - Praticamente todo absorvido pelo ozônio. Pouquíssimo ou
nada chegam à biosfera.
UVB - Boa parte é absorvida pelo ozônio. A faixa dos maiores
comprimentos é espalhada e atenuada, mas mesmo assim chega à
biosfera.
UVA - Não é absorvida pelo ozônio. É a parte UV que mais atinge a
biosfera.
Radiobiologia
Estudo dos efeitos das emissões radioativas na Natureza,
especialmente nos seres vivos.
Radiação de fundo - ambiental
Jazidas
Brasil
Emissões radioativas
agem nos sistemas biológicos
Formação de 
íons e 
radicais 
livres na 
matéria 
Radicais reagem 
em caminhos 
metabólicos 
diferentes dos 
normais
Resultados 
biológicos
✓Ação direta  radiação choca-se diretamente com as
moléculas biológicas (DNA, proteínas, lipídeos, etc)
✓ 20 % do efeito total
Mecanismos do efeito biológico das radiações
proteína
Mecanismos do efeito biológico das radiações
✓Ação indireta  radiação é absorvida pela água, formação
de radicais muito reativos – lesão de biomoléculas.
✓ 80 % do efeito total
Efeitos biológicos das radiações
Níveis estruturais e efeitos das radiações 
✓ Níveis SUPRAMOLECULARES:
 sensibilidade diferencial para células e
tecidos.
✓ Nível MOLECULAR (lesões).
Podem:
✓ Limitar-se a uma estrutura.
✓ Ser reversível ou irreversível.
✓ Ser transmitida geneticamente (mutações).
Níveis estruturais e efeitos das radiações 
✓ Níveis supramoleculares  sensibilidade diferencial
para células e tecidos.
Muito sensíveis Medianamente sensíveis Menos sensíveis 
1.0 – Tecido Hematopoiético 
(Linfócitos, Eritroblastos) 
3.0 – Células Endoteliais 6.0 – Células Ósseas 
2.0 – Células Epiteliais 
(Testículo, Ovário e Pele) 
4.0 – Tecido Conectivo 7.0 – Células Nervosas 
 5.0 – Células Tubulares dos Rins 8.0 – Células Musculares 
 
Radiossensibilidade animal é maior 
✓ animais mais jovens
✓ mais evoluídos na escala zoológica + sensíveis.
Fatores de sensibilidade tissular. Ordem decrescente
1. Maior quantidade de água 3. Taxa elevada de reprodução 
2. Maior concentração de DNA 4. Baixo grau de diferenciação celular
(indivíduos mais jovens)
Radioisótopos
Aplicações
✓ Uso diagnóstico
Medicina nuclear 
✓ Uso terapêutico
✓ Agricultura (pesquisa, melhoramento)
✓ Indústria de alimentos
✓ Indústria
✓ Pesquisa médica / biológica (estudos ambientais)
Uso diagnóstico
Radioisótopos administrados a pacientes emitem radiação do
órgão onde se concentram.
Iodo-131 (I-131) - emite partícula beta, radiação gama e tem meia-
vida de oito dias.
O iodo é absorvido preferencialmente pela
glândula tireoide, onde se concentra.
O paciente ingere solução de I-131 (absorvido
pela glândula),
Um detector na frente do pescoço do paciente
registra a distribuição / concentração do iodo
em relação ao um padrão.
Uso diagnóstico
Tecnécio-99 (Tc-99m) - utilizado para mapeamento de diversos
órgãos (cintilografia) :
• cintilografia renal, cerebral, hepato-biliar (fígado), pulmonar e
óssea, de placenta.
• diagnóstico do infarto agudo do miocárdio / estudos circulatórios;
Samário-153 (Sm-153) – aplicado em pacientes com metástase
óssea.
Os radiofármacos usados em medicina no Brasil são, em grande
parte, produzidos pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e
Nucleares - IPEN, em São Paulo.
Distribuídos regularmente aos usuários.
Uso terapêutico
Radioterapia – contra células cancerosas.
Fontes radiativas de césio-137 e cobalto-60 - usadas para
destruir células de tecidos neoplásicos (mais sensíveis à
radiação que dos tecidos sadios - radiosensibilidade).
Aparelho de radioterapia mais conhecido - Bomba de Cobalto -
fonte cobalto-60 (Co-60), encapsulada e blindada.
Fonte de césio-137 - substituída pela de Co-60 - maior
rendimento terapêutico.
Uso na indústria de alimentos/agricultura
Irradiação para a conservação de produtos agrícolas (batata,
cebola, alho e feijão).
Batatas irradiadas podem ser armazenadas por mais de um ano
sem murcharem ou brotarem.
Uso na indústria de alimentos/agricultura
Uso na indústria de alimentos/agricultura
Uso na pesquisa biológica 
Estudos ambientais/agricultura
O uso de traçadores radioativos possibilita o estudo do
comportamento de insetos, como abelhas e formigas.
Ao ingerirem radioisótopos, os insetos ficam marcados, passam
a “emitir radiação”, e seu “raio de ação” pode ser acompanhado.
No caso de formigas, descobre-se onde fica o formigueiro e, no
caso de abelhas, até as flores de sua preferência.
Estudos ambientais/agricultura
“Marcação” de insetos - útil para eliminação de pragas.
Identifica que predador se alimenta de determinado inseto
indesejável. Neste caso, o predador é usado em vez de
inseticidas.
Estudos ambientais/agricultura
Outra forma de eliminar pragas - esterilizar machos
por radiação gama - soltá-los no ambiente para
competirem com os normais
- redução sucessiva da reprodução, até a eliminação
da praga, sem poluição com produtos químicos.
Uso na pesquisa biológica 
Fósseis de madeira, papiros e animais contêm C-14 (meia-
vida - 5.600 anos). Ou seja, a cada 5.600 anos, a atividade
do C-14 é reduzida à metade. Medindo-se a proporção de C-
14 ainda presente é possível saber a “idade” do material.
Exemplo - determinação da idade dos Pergaminhos do
Mar Morto.
Uso na pesquisa biológica 
Estudo de processos que ocorrem nos sistemas biológicos.
Podem ser usados sob duas formas:
• Radionuclídeos - efeitos biológicos relacionados ao
próprio nuclídeo (H3, C14, Na24, I131). Ex: transporte de
sódio, metabolismo do ferro.
• Radiocompostos (Radiofármacos) - radionuclídeos
incorporados em moléculas. Permite verificar o que
aconteceu com o composto. Ex: metabolismo da glicose.
Uso na indústria
Gamagrafia industrial - aplicação de radioisótopos -
radiografia de peças metálicas.
Fabricantes de válvulas – gamagrafia para Controle da
Qualidade - defeitos ou rachaduras no corpo das peças.
Uso na indústria
As empresas de aviação fazem inspeções frequentes nos
aviões, para verificar se há “fadiga” nas partes
metálicas e soldas essenciais sujeitas a maior esforço
(asas e turbinas) - gamagrafia.
Uso na indústria (farmacêutica)
Uso de fontes radioativas – esterilização de seringas,
luvas cirúrgicas, gaze e material farmacêutico
descartável, em geral.
Seria praticamente impossível
esterilizar, pelos métodos
convencionais (altas temperaturas),
tais materiais, que se deformariam
ou se danificariam.
Obrigada!