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Sumário Radioatividade ................................................................................................. 3 1. Emissões radioativas .................................................................................. 3 2. Interações das emissões com a matéria ..................................................... 4 3. Detecção e registro da radioatividade ......................................................... 5 Radiações ionizantes e excitantes ................................................................. 6 1. Radiações X e ultravioleta .......................................................................... 6 1.1. Raios X ................................................................................................. 6 1.2. Luz ultravioleta ..................................................................................... 6 Radiobiologia ................................................................................................... 8 Isótopos, radioisótopos e radiações ............................................................ 10 1. Uso de radioisótopos e radiação em biologia ........................................... 10 2 Radioatividade O fenômeno da radioatividade consiste na emissão espontânea de partículas (as mais comuns são alfa e beta) ou energia pelo núcleo de um átomo cuja energia é sempre radiação gama. Além disso, podem ocorrer fenômenos secundários nos elétrons orbitais, com ejeção de elétrons ou raio X orbital, dessa maneira, o comportamento desses átomos é denominado radioisótopos ou radionuclídeos. O fenômeno da radioatividade tem importância em várias áreas da ciência e também apresenta uma importância social. Os nuclídeos radioativos possuem excesso de matéria ou energia, no núcleo. Esses elementos tendem a um estado mínimo de energia, ejetando o excesso de matéria ou energia. A radioatividade está presente em elementos químicos da natureza ou podem ser preparados artificialmente através de reatores atômicos e aceleradores de partículas. Todos os elementos químicos apresentam prótons e nêutrons, porém alguns elementos possuem o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons, assim, são denominados isótopos. Esses isótopos podem ser estáveis (não se modificam espontaneamente e não são radioativos) ou instáveis (emitem partículas ou energia pelo núcleo de forma espontânea e se denominam radioisótopos, radioelementos ou radionuclídeos). Existem também elementos químicos que quase sempre são produzidos artificialmente, conhecidos como isômeros. Os isômeros possuem as mesmas partes constituintes, tendo mesmo número de prótons e nêutrons diferindo apenas no conteúdo de energia do núcleo. Estes isômeros estão presentes em dois estados: um com excesso de energia (metaestável) e outro que ocorre logo após a emissão da energia (estado fundamental). 1. Emissões radioativas As emissões de matéria e energia pelos radionuclídeos, podem ser emissões primárias (alfa, beta e gama) e emissões secundárias (captura de elétrons, transição isomérica e captura isomérica). Na emissão alfa (α) a partícula é a mais pesada tendo massa 4 e carga elétrica +2. Por esse motivo, ela é altamente ionizante, tem uma mínima penetração e seu uso é proibido nos seres humanos. Na emissão beta (β) a partícula tem massa do elétron e pode ser negativa (negatron) ou positiva (pósitron), sendo que a positiva tem existência efêmera, apresenta massa ínfima em relação ao próton ou nêutron, tem uma maior penetração do que a emissão α e ionizam menos que a alfa. A radiação gama (γ) é formada pela interação entre a partícula β positiva e negativa e apresenta como características ser altamente penetrante e menos ionizantes entre as radiações. Entre os constituintes da emissão secundária pode-se destacar suas principais características. A captura de elétrons consiste na captura de um elétron orbital pelo núcleo do átomo, isso ocorre devido o núcleo desses elementos possuírem deficiência de energia negativa no núcleo, capturando o elétron para compensar, como consequência dessa captura o núcleo emite radiação γ e pode emitir raio X orbital. No segundo tipo de emissão secundária, 3 a transição isométrica, consiste na emissão de raios γ após rearranjo energético das partículas intranucleares sem a ocorrência de emissão prévia imediata de partículas. Já na captura isomérica a radiação γ emitida pelo núcleo é absorvida por elétrons orbitais que são ejetados, assim a captura isomérica ocorre frequentemente associada com a transição isomérica. Outros tipos de emissões podem ocorrer também. Por exemplo, os núclideos podem emitir prótons, nêutrons e deuterons e uma série enorme de subpartículas. É importante destacar que todas as emissões causam efeitos importantes nos sistemas biológicos. As emissões radioativas possuem alta energia e não possuem carga elétrica. A energia das radiações é medida em elétron volts (eV) que é a energia cinética final que um elétron adquire quando é acelerado entre dois pontos cuja diferença de potencial é 1 volt (1 eV = 1,6·10-19 J). As energias emitidas por radioisótopos são capazes de interferir profundamente com as relações bioquímicas nos sistemas biológicos. Assim como na termodinâmica, a radioatividade de um material qualquer diminui com o passar do tempo e essa diminuição é denominada decaimento. Para definir o tempo de decaimento convencionou-se especificar a meia vida (t1/2) de um radioelemento cuja definição de meia vida é o tempo que decorre para a radiotividade cair à metade. A meia vida está relacionada com outra constante, chamada de constante de decaimento (λ), desse modo, essa relação é definida como: 𝑡1/2 = 0,693 λ Sendo que a constante de decaimento, λ, pode ser considerada como a fração percentual de átomos que se decompõe por unidade de tempo. Na biologia, a meia vida de elementos deve ser sempre curta, para evitar danos da irradiação sobre os tecidos. 2. Interações das emissões com a matéria A interação radiação-matéria depende do tipo e energia de emissão, das propriedades do material que recebe a radiação e de vários outros fatores. De modo geral, a interação causa o efeito de a matéria que absorveu energia das emissões radioativas ficar ionizada. É justamente essa ionização que é responsável pelos desvios que ocorrem nas reações bioquímicas dos seres vivos, causando danos biológicos diversos. Na interação α-matéria se define como as partículas α interagindo intensivamente, arrancando elétrons por atração, assim a trajetória de alfa se apresenta de modo retilíneo e aparece como um traço grosso nas auto- radiografias (cuja objetivo é mostrar o percurso das partículas). Na interação β-matéria há uma interação de três modos distintos: Repulsão de elétrons: Os negatrons ao passarem perto dos orbitais, repelem elétrons pela energia cinética e carga negativa, deixando também átomos e moléculas ionizados. Ao perder energia cinética, esses elétrons se encaixam em órbitas que possuem vacância eletrônica; 4 Aniquilação: Quando um pósitron β+ se choca com um megatron β-, a matéria se transforma em radiação gama de energia característica, 0,51 MeV. Essas radiações saem do ponto de colisão em direções tais que o momento é conservado; Radiação de frenagem: são os raios X e ocorrem em aparelhos onde elétrons são fortemente acelerados. Na interação γ-matéria se faz de três modos que são: o efeito fotoelétrico em que se caracteriza por a energia da radiação sertotalmente absorvida por um elétron orbital, que salta para fora do domínio orbital, deixando o átomo ionizado; o efeito comptom em que a energia da radiação γ é superior àquela necessária para ejetar um elétron, e o excesso vai se distribuindo por outros elétrons, que se libertam dos orbitais; e a formação de par iônico consiste que quando a radiação γ passa perto de um núcleo ele interage e se transforma em um par de elétrons, um β+ e um β-. 3. Detecção e registro da radioatividade A detecção, em modo geral, é baseada nos efeitos resultantes da interação emissão-matéria e os métodos mais usuais em biologia são descritas abaixo. A auto-radiografia foi o primeiro processo a registrar radiações e foi descoberto por Becquerel. Consiste em impressionar uma emulsão fotográfica através do poder ionizante das radiações. Essa técnica pode fazer análises macroscópicas e microscópicas. A duplicação do DNA foi demonstrada com esta técnica e a auto-radiografia é também usada em dosímeros de exposição que medem a quantidade de radiação que os indivíduos recebem. Existe também o detector de ionização de tubo de Geiger-Müller que são mais apropriados para a contagem da radiação gama e existe o detector de ionização de diodo semicondutor que são indicados para raios X e gama, inclusive de baixa energia e tem a vantagem de ser miniaturizado a ponto de ser implantado em órgãos e tecidos. Porém, o detector mais eficiente é o de cintilação líquida que mede partículas e radiações. 5 Radiações ionizantes e excitantes 1. Radiações X e ultravioleta Essas radiações fazem parte do amplo espectro eletromagnético. As ionizantes são as radiações gama e os raios X, e possuem energia suficiente para ionizar a matéria. As excitantes são as radiações ultravioleta. O raio X ioniza enquanto o ultravioleta excita os materiais biológicos. 1. 1. Raios X Os raios X são produzidos por dois mecanismos que são raios X orbital e raios X de frenagem. De acordo com a capacidade de penetração dos raios X, eles são classificados em duros, pois penetram mais profundamente e são mais energéticos sendo capazes de atravessar os ossos; e os moles são poucos energéticos e penetram apenas em tecidos pouco densos. Assim, o uso de raios X se baseia na absorção diferencial dos tecidos nos sistemas biológicos, pois a absorção de radiação é proporcional à densidade estrutural dos tecidos, essa absorção diferencial dos tecidos são obtidos através da obtenção de chapas radiográficas. Porém o uso de raios X para obtenção de chapas radiográficas faz com que ocorra a geração de radiações secundárias, devido o choque de raios X contra os sistemas biológicos. Essas radiações secundárias possuem um espalhamento que prejudica a imagem, dessa maneira, o uso de diagramas absorventes impede que esses raios espúrios atinjam o filme a ser impresso na chapa radiográfica. Além disso, é necessário o uso de filtros que consiste de uma placa de alumínio ou cobre para absorver os raios X pouco energético que não iriam transpassar o objeto e impressionar a chapa. Assim o uso desses filtros é importante, pois sem eles o único efeito desses raios seria aumentar a dose de irradiação do paciente. 1. 2. Luz ultravioleta Com a energização de átomos, os elétrons podem absorver a energia e saltar para orbitais mais externos. Na volta, a energia é devolvida como luz ultravioleta ou visível ou infravermelho, dependendo do salto energético do elétron. A luz ultravioleta é excitante nos tecidos e havendo condições propícias pode até ionizar a matéria. Os átomos e moléculas que ficam sob o mecanismo de ação da luz ultravioleta, se tornam energizados e em estado de excitação. Essas substâncias participam, com mais facilidade, de reações bioquímicas, porém podem também gerar o aparecimento de novos caminhos metabólicos, que podem ser prejudiciais aos sistemas. A luz ultravioleta tem ampla utilização, um desses usos é a aceleração de reações fotossensíveis, especialmente nas reações de fotólise, onde substâncias absorvem a luz, e usam a energia para quebrar outras moléculas. A luz ultravioleta também é usada para acelerar a polimerização de plásticos e é 6 bastante usado para a obturação de cáries e confecção de peças dentárias. Em laboratórios e hospitais, a luz ultravioleta é bastante usada para procedimentos de esterilização de materiais. Nos sistemas biológicos humanos, a luz ultravioleta proveniente do sol exerce uma importância muito grande, pois graças a ela há uma maior produção de vitamina D e é devido a isso que em países tropicais o raquitismo é uma doença rara. 7 Radiobiologia O estudo dos efeitos causados pelas emissões radioativas sobre a natureza, especialmente os seres vivos constitui o tema da Radiobiologia. Os seres vivos estão permanentemente expostos à radiação do ambiente, e essa radiação é conhecida como radiação de fundo. Uma das origens desse tipo de radiação é a radiação cósmica que são de alta energia e o sol é a principal fonte dessa radiação. Porém essa radiação é capturada pela atmosfera e são mais intensas em altas altitudes do que ao nível do mar. O ser humano também descartou uma grande quantidade de dejetos radioativos com alta atividade no ambiente durante a Era Nuclear, principalmente na confecção de pilhas e reatores construídos nesta época. Assim, os rejeitos radioativos possuem uma grande dificuldade de descarte adequado, já que eles podem se espalhar pelo ambiente, em alguns casos os depósitos desses rejeitos são molhados para dissipar o calor gerado, evitando assim uma explosão térmica. O motivo pelo qual as radiações agem sobre biossistemas é devido a interação radiação-matéria, fazendo com que a matéria dos sistemas biológicos se comporte da mesma forma como a matéria inerte. Há uma série de eventos ocorrendo quando um sistema biológico é atingido por emissões radioativas, esses eventos consistem em passagem e absorção das radiações, a formação de íons e radicais (radiólise) e a reação desses radicais em caminhos metabólicos diferentes normais. A partir desses eventos aparecem os resultados biológicos. Entretanto, esse mecanismo do efeito radioativo sob os efeitos biológicos pode ter ação direta e ação indireta. Na ação direta, a radiação choca-se e age diretamente sobre moléculas biológicas, esse choque resulta na inativação de enzimas, quebra de ligações e formação de radicais complexos que impedem o funcionamento natural dessas moléculas. Na ação indireta, a radiação é absorvida pela água, que forma radicais muito reativos, esses radicais agem sobre as biomoléculas, lesando-as. A razão pelas quais as emissões radioativas são tão eficientes em lesar os tecidos biológicos reside na sua alta energia, enquanto que as energias envolvidas nos processos biológicos são pequenas. Os efeitos biológicos das radiações podem ser observados em vários níveis nos organismos. É evidente que a lesão inicial é molecular e se alastra até sintomas de lesão no corpo inteiro, ademais, essas lesões podem ser reversíveis ou irreversíveis e também podem se limitar a determinadas estruturas. Essas lesões podem ser transmitidas geneticamente que podem ocasionar mutações e se estender em várias gerações, já que as moléculas de DNA são as mais sensíveis a radiação. O DNA é a biomoléculamais crítica do ponto de vista de danos da radiação, pois o DNA é responsável pelo controle das funções celulares. Dessa maneira, fica evidente que as células e tecidos apresentam uma sensibilidade diferencial muito grande. A nível de sistemas, o sistema nervoso, devido a sua alta organização e baixa entropia, é o sistema mais sensível já que como tecido sofre danos críticos a radiação, então, como sistema é altamente prejudicado por fontes radioativas. 8 Algumas espécies apresentam resistência a radiação, porém não há nenhuma espécie totalmente resistente aos efeitos da radiação. Em caso de holocaustos nucleares, por exemplo, a espécie humana tem menor chances de sobrevivência, entretanto, alguns animais como insetos, especialmente os que possuem carapaça de quitina, são muito resistentes. Algumas cepas de microrganismos são também resistentes, como exemplo o Micrococcus radiodurans. Além disso, os sistemas biológicos em sua grande maioria são sistemas dependentes do oxigênio e o usam de algum modo. Sob a radiação, os sistemas biológicos sofrem mais com as radiações ionizantes já que o oxigênio aumenta esses efeitos, pois a maior parte dos radicais que aparecem na radiólise, são oxidantes. Os efeitos são bastante relacionados a quantidade de doses de radiação (que podem ser únicas ou acumulativas) e com a área irradiada (dose local ou no corpo inteiro). Assim é de fundamental importância que o uso de radiações seja utilizado em condições de eficiente proteção dos usuários. No controle a exposição de radioatividade, dois fatores são indispensáveis. A distância da fonte é um desses fatores, é importante manter a maior distância possível já que a intensidade varia com o inverso do quadrado da distância. O tempo de exposição também deve ser considerado, pois as doses de radiação são cumulativas com o tempo. Dessa forma, a exposição deve ser mínima. É comum o uso de barreiras em locais que usam a radiação. Essa barreira consiste em material que é geralmente de chumbo que serve como uma barreira absorvente altamente eficiente para partículas α e β. Já para a partícula γ, essa proteção dependerá da espessura da barreira. Em locais que armazenam substâncias radioativas é necessário que este armazenamento seja feito em depósitos de chumbo, chamados “castelos”. Além disso, para o manuseio dessas amostras luvas e aventais de chumbos são utilizados como blindagem e vidrarias espelhadas especiais auxiliam no manuseio correto. A quimioproteção consiste no uso de quimioterápicos para diminuir os efeitos das radiações. As substâncias redutoras, normalmente é usado substâncias que contêm grupos orgânicos tioálcoois (―SH), atuam diminuindo os efeitos das radiações por dois mecanismos: elas se oxidam por irradiação direta ou se combinam com os radicais oxidantes gerados pela radiação. Entretanto, para serem mais efetivos, os quimioterápicos devem ser administrados antes da exposição às radiações, entretanto, não há proteção total contra as radiações. 9 Isótopos, radioisótopos e radiações O uso de isótopos, em especial os radioisótopos, permite identificar e diferenciar um grupo de moléculas das outras e mostra os caminhos biológicos através de marcações de moléculas. Quando uma molécula marcada é radioativa, o processo atinge alta sensibilidade. Os radioisótopos podem ser usados sob duas formas: radionuclídeos e radiocompostos. Dessa forma, através da marcação é possível indicar o que aconteceu com determinado composto e seus derivados no processo metabólico. Existem aspectos peculiares para o uso de radioisótopos como marcadores de moléculas, são elas: efeito isotópico de massa (como as reações químicas se processam em velocidade que depende da massa dos reagentes, a velocidade das reações com isótopos é dependente da massa); danos radioativos (nas marcações devem ser usadas doses mínimas necessárias e suficiente para obter dados, desta forma, os efeitos também são minimizados); a diluição isotópica (que tem a vantagem de o composto que foi dosado ser totalmente extraído do sistema que está sendo estudado); e meia vida biológica (importante para os estudos de cinética nos processos biológicos). 1. Uso de radioisótopos e radiação em biologia Dependendo da finalidade de estudo o uso de radioisótopos e radiação em biologia pode ter diferentes métodos que podem ser analítico, diagnóstico, terapêutico e ecológico. No método analítico a principal finalidade é obter informações sobre os biossistemas e existem vários exemplos do uso deste método. É possível, por exemplo, seguir o caminho da substância radioativa para identificar o metabolismo, tanto na fase anabólica (síntese) como na catabólica (degradação). É feito também o radioimunoensaio na obtenção de dados diagnósticos. Através do decaimento radioativo pode-se determinar datas com precisão para datação de fósseis, sendo que um dos elementos mais utilizados é o 14C, já que esse participa do ciclo do carbono em seres vivos. Obtenção de auto-radiografias com a finalidade de obter impressão fotográfica em escala macroscópica e microscópica. No método para uso diagnóstico o objetivo é fornecer informações que nem sempre são obtidas em outros processos e é amplamente utilizado para estudo do cérebro, funções renais e hepáticas e conhecimento do volume dos compartimentos intracelular, extracelular e vascular. O uso terapêutico de radioisótopos e radiações é bastante empregado na contatoterapia (radioisótopos aplicados “in situ” ou bem próximas a lesões patológicas) e na teleterapia (implantação de agulhas de rádio ou cobalto em tumores para o tratamento de neoplasias). O método para fins de uso ecológico possui inúmeras aplicações. Entre essas aplicações é possível estudar a migração de fauna, marcando-se indivíduos da mesma espécie; o controle populacional de insetos sazonais; e o controle de poluição por materiais orgânicos em rios e lagos pode ser feito pela contagem de pulsos do 14C.