2013. október 3., csütörtök

Egy kis segédanyag a sugárzás utáni események jobb megértéséhez



Mivel a legutóbbi bejegyzés (Mi történik a besugárzott élő szervezetben?) a szokásosnál egy picit hosszabb és töményebb volt, gondoltam relaxálásul ajánlok néhány multimédia anyagot az ott leírtakkal kapcsolatosan. Van köztük egészen elemi, de tudományosabb is. Csak egy csipetnyi abból, amit a világhálón találhatunk a témában. Aki kitartóan keres könnyen találhat hasonló, vagy még ennél is relevánsabb anyagokat. Élvezzék/élvezzétek!


Kezdetnek egy kis “laza” 3D animáció


Szabad gyökök elemi bemutatása


A víz besugárzása (prezentáció, tudományosabb)


Mutációk keletkezése



DNS sérülés és kijavítás


2013. október 2., szerda

Mi történik a besugárzott élő szervezetben?



Az előző bejegyzésekben láthattuk, hogy a különböző sugárzások hogyan hatnak kölcsön az anyaggal. Annak ellenére, hogy e kölcsönhatásokat ma eléggé jól ismerjük, a sugárzás biológiai hatásának megértése mégsem triviális. Az egészségügyi hatások, mint az élő anyag és a sugárzás találkozásának következményei, egy felépítésében és működésében is igen összetett rendszerben (élő szervezet) jelentkeznek és számos folyamattól és paramétertől függnek. A hatás megértését az is bonyolítja, hogy az nem azonnali, ugyanis a sugárzás indukálta biológiai változások csak percek, órák, vagy évek múlva detektálhatók, vagyis csak egy látens idő elteltével jelentkeznek. Már az is egy jó kérdés, hogy mit nevezünk biológiai hatásnak, ugyanis az élő szervezetnek különböző szerveződési szintjei vannak, amikben a sugárzás valamilyen elváltozást okozhat különböző időskálákon.

Az atomokkal történő kölcsönhatást már jól ismerjük az élettelen anyagok esetéből. Ezek a hatások a sugárzás milyenségétől (alfa, béta, gamma stb.), annak energiájától, az atomok rendszámától, koncentrációjától stb. függnek. Általánosan azt mondhatjuk, hogy a sugárzás hatására egy bizonyos kölcsönhatás valamekkora valószínűséggel lejátszódik. Az élő anyagban leginkább víz és biomolekulák (pl. fehérje, zsír, poliszacharid) vannak, melyekben gerjesztés (az atom vagy molekula magasabb energiaszintre kerül) és ionizáció (az atom vagy molekula pozitív és negatív töltésű ionokra „bomlik”) játszódik le. Ezeket a jelenségeket a fizikai jelenségek csoportjába soroljuk és nagyon gyorsan (tipikusan 10-15 s alatt) lezajlanak.

A sugárzást követő 10-15-10-12 s időtartamban a fizikokémiai jelenségeké a főszerep. Megtörténhet például, hogy a sugárzás a szervezetben bőségesen jelenlévő vízmolekulákkal lép kölcsönhatásba. A gerjesztett vízmolekula többletenergiával rendelkezik, ezért vagy relaxál, vagy önionizálódik (H2O+ és e- keletkezik), vagy pedig kötések bomlanak fel. Ez utóbbi jelenséget szakszóval disszociációnak nevezzük. Az ionizált vízmolekula szintén disszociálhat, az ionizáció során keletkezett elektron pedig termalizálódhat, vagyis elemi kölcsönhatások révén leadja energiáját, míg az meg nem közelíti a környező szabad elektronok energiaszintjét. A disszociáció az úgynevezett disszociációs sémák szerint megy végbe. A sugárzást követő 10-12 másodpercig gerjesztett atomok és molekulák, ionok és hidratált elektronok keletkeznek (pl. *OH, *H, *O, H2, H2O2, H3O+, eaq). Innentől kezdve az ú.n. kémiai fázisba lépünk.

A fent leírt folyamatok során keletkezett és termikus egyensúlyba jutott „termékek” diffundálni kezdenek és kémiai reakciókban (gyök-gyök, gyök-DNS, gyök-gyökfogó) vesznek részt. E jelenségek megközelítőleg a sugárzást követő 10-12-10-6 s időtartamban játszódnak le és olyan paraméterekkel jellemezhetők, mint a diffúziós együttható, vagy a reakcióráta.  
 
E jelenségek következménye lehet a DNS és más molekulák sérülése, amely nagyságrendileg 10-6 másodperc alatt következik be. Az atomi kölcsönhatások és a molekulák sérülése között legalább két kapocs létezik. Ha a sugárzással kölcsönható atom egy biomolekula alkotója, akkor egyenes út vezet a molekula sérüléséhez, de a kár indirekt módon is bekövetkezhet. Ez utóbbi az odavándorolt (diffundált) és a gyökfogók (radical scavengers) által nem semlegesített szabad gyökök és a biomolekula közötti kölcsönhatás következménye. És itt átlépünk a biokémia/biológia területére, ahol a dolgok egyre bonyolultabbá válnak.

A DNS-ben keletkező kár sokféle lehet, annak függvényében, hogy milyen típusú és mennyiségű sugárzásról beszélünk, a sugárzás direkt vagy indirekt (szabad gyökök) módon éri a DNS-t, illetve, hogy annak mely része károsul. Ezekre mind nem térnék itt ki, mert többek között feltételezi a DNS szerkezeti felépítésének ismeretét, amit most nem célom részletesen bemutatni. Csupán a DNS szál töréseket említeném meg, melyek a kettős-spirál egyik (egyszálú törés), vagy mindkét (kettős-törés) szálát érinthetik. Ez utóbbiból kevesebb van, de ez a veszélyesebb. Rögtön megjegyezném, hogy DNS károsodás spontán (endogén) módon is bekövetkezik, nemcsak külső tényező (exogén, pl. sugárzás) hatására. Amint a kár bekövetkezett, a DNS kijavító mechanizmusai aktiválódnak és elkezdődik a javítás. A kijavítás a kár helye, milyensége, mértéke alapján, vagy aszerint, hogy a sejtet az életciklusának mely szakaszában érte a sugárzás többféle lehet. Amit fontos megjegyezni, hogy bizonyos esetekben téves kijavítás (missrepair) is előfordulhat. E folyamatok igen bonyolultak és perceket, órákat vesznek igénybe.

Ha a méretben elindulunk felfelé és az időben előre, akkor a sugárzás indukálta rendellenességek a kromoszómák (ebbe tömörül a DNS), sőt a sejt szintjén is megjelennek. A sejt elpusztulhat vagy mutálódhat (állandósult kár), sőt transzformálódhat. A mutációk a genetikai állományban bekövetkező tartós változások, míg a transzformációt a rák felé vezető út fontos állomásának tartják, de nem azonos a rákkal. Ha a kár tartós, érzékeny területet érint és progresszál, valamint a kijavító/védekező mechanizmusok nem képesek visszafordítani/megszüntetni, akkor idővel (évek, vagy évtizedek) kiterjedhet a szerv/szervezet szintjére és szerencsétlen esetben olyan változásokat idézhet elő, melyek összeegyeztethetetlenek az élettel.

A fent leírtakból látható, hogy egyetlen besugárzás milyen mennyiségű eseménysorozatot indíthat el a szervezetben (a fentiekben a biológiai folyamatoknak csak egy kis szelete van megemlítve). Nem csoda tehát, hogy ezek pontos végkimenetelét nehéz megbecsülni. Ha a sugárzás dózisa kicsi, a bizonytalanságok a biológiai választ illetően olyannyira megnőnek, hogy gyakorlatilag sztochasztikus hatásokról beszélhetünk.

A fent említett, sugárzást követő eseményeket egy diagram közepén foglaltam össze. Hogy fogalmunk legyen adott dózisú sugárzás indukálta jelenségek számosságáról, a diagram bal oldalán az egy sejtmagot ért 1 Gy dózis esetében bekövetkező események hozzávetőleges számát is feltüntettem. A jobb oldalon az eseményeknek megfelelő időskála látható, illetve, hogy klasszikusan milyen jelenségek csoportjába soroljuk őket.


Látható, hogy míg a bejegyzés kezdetén az egzakt leírásra törekedtem, addig a vége felé egyre kevesebb dolgot definiáltam pontosan vagy magyaráztam meg tudományosan. Ennek több oka is van: egyrészt csak annyit szerettem volna elmesélni, ami a továbbiak megértéséhez feltétlenül szükséges, másrészt a mai tudásunk messze nem teljes, harmadrészt fizikusként a mai biológiai tudásnak is csak igen kis töredékét ismerem. Remélem, hogy ennek ellenére sikerült kicsit tágítani az olvasó tudáshorizontját és egy kis fényt csempészni a sugárzás okozta hatásokról alkotott képünk sokszor csak alig derengő miliőjébe. Legközelebb innen folytatjuk, addig se feledjétek/feledjék, hogy a fentiekkel kapcsolatosan is sok csemege található a világhálón, amihez kitartó böngészést, hatékony tanulást és jó szórakozást kívánok!