PRINCÍPIOS DE RADIOATIVIDADE

RADIOBIOLOGIA

Estrutura e representação dos átomos

ÁTOMOS

✓ prótons

✓ nêutrons

✓ partículas β- (negatron)

✓ partículas β+ (positrons)

NÚCLEO ÓRBITAS

✓ Eletrons

Energia nuclear

Energia que mantém a ligação de p+ e n

XA

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

Emissão espontânea de partículas ou energia a partir do núcleo de um átomo

Radioatividade

Radiação

ionização de átomos e moléculas

modificação química

Radioatividade (Origem)

Natural –

✓ fontes naturais na superfície (“anomalias”)

✓ radiações cósmicas (sol)

Artificial – Fissão e fusão nucleares

Casal Joliot-Curie, Frederic e Irene, demonstrou aexistência do nêutron e descobriu, em 1934, aradioatividade artificial, bombardeando núcleos deboro e alumínio com partículas alfa, o que lhe valeu oprêmio Nobel de Química de 1935.

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

1) ISÓTOPOS

2) 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, masdiferem 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 pelaexcitação de um próton ou nêutron no seu núcleo atômico,de modo que estes sofram uma mudança de spin(angulação estrutural) antes que possam liberar suaenergia extra.

ISÔMEROS conhecidos

Emissões radioativas - Primárias

Emissão alfa um nuclídeo emite uma partícula e setransforma em outro átomo.

Emissão beta um nuclídeo emite uma partícula β-

(negatron) ou β+ (positron) e se transforma em outroátomo.

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 (energiaeletromagnética).

Não tem carga elétrica

Captura de elétrons (CE) núcleo absorve elétron daórbita K. Ao chegar no núcleo, o excesso de energia doelétron é emitido como radiação gama ou Raios X.

Emissões radioativas - 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

1) Capacidade de ionização da matéria

2) Capacidade de penetração da matéria

Propriedades das emissões radioativas

✓ Alfa partícula mais pesada. Altamente ionizante. Mínimapenetração.

✓ Beta massa ínfima. Menos ionizante, porém mais penetranteque a partícula alfa.

✓ Gama radiação menos ionizante de todas, porém altamentepenetrante

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

keVMeV

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 unidadede tempo

✓ Becquerel (Bq) = 1 desintegração por segundo

✓ Curie (Ci) = 3,7 x 1010 Bq (Referência – 1 grama de Ra226)

✓ Becquerel (Bq) = 2,7 x 10-11 Ci

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 paraproduzir 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 depositaenergia 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 energiasuficiente para ionizar a matéria)

✓ Radiações excitantes Raios ultra violeta (U. V.)

Raios-X: Duros (muito energéticos); Médios e Moles (poucoenergéticos)

Raio X - propriedades

Tecido a ser radiografado

Tecido duro

Tecido mole

Tecido oco

Classificação – dependendo da capacidade de penetração da

radiação no tecido:

As cinco densidades radiográficas:

A propriedade que têm os raios x de atravessar a matéria com diferentes remoções

dependendo da substância e do seu estado físico faz com que no corpo possamos

encontrar cinco densidades fundamentais.

- Ar (preto) a menor absorção de raio-X. Engloba o ar ou outro gás que nos

encontremos dentro do organismo. Exemplo: pulmões, tubo digestivo.

- Gordura (cinza): absorve algo mais de radiação. Nós a encontramos entre os

músculos, no abdômen cercando as vísceras.

- Água (cinza pálido): é a densidade normal dos tecidos moles e / ou dos órgãos

cheios de líquido. Coração, fígado, baço bexiga urinária, músculos, sangue.

- Osso (branco): grande absorção. Ossos, cartilagens calcificados.

- Metal (branco absoluto): Não existe no organismo. Bário, iodo, corpos estranhos

metálicos.

- Terminologia Radiológica de acordo com o tipo de densidade.

- Rádio Lúcido: objetos ou tecidos que são totalmente penetrables pelos raio-X.

Cor Preta: ar densidade: Ar.

- Rádio Opaco: objetos ou tecidos que são total ou parcialmente impenetráveis pelos

raio-X.

Opacidade branca brilhante: meio de contraste, metal: densidade metálica.

Opacidade Branca: osso densidade óssea: Cálculos.

Opacidade cinza: músculos, gordura, líquidos, massas, pneumonia, órgãos sólidos.

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) - Energia excitante

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 ounada chegam à biosfera.

UVB - Boa parte é absorvida pelo ozônio. A faixa dos maiorescomprimentos é espalhada e atenuada, mas mesmo assim chega àbiosfera.

UVA - Não é absorvida pelo ozônio. É a parte UV que mais atinge abiosfera.

Estudo dos efeitos das emissões radioativas na Natureza,

especialmente nos seres vivos.

Radiobiologia

Radiação de fundo - ambiental

Jazidas

Brasil

Emissões radioativasagem 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 asmoléculas 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 estruturais e efeitos das radiações

✓ Níveis SUPRAMOLECULARES:

sensibilidade diferencial para células etecidos.

✓ 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 diferencialpara 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 (paliativo para a dor).

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

Uma aplicação importante - 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

Cebolas irradiadas podem ser armazenadas por mais de um ano

sem murcharem, brotarem ou apodrecerem.

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.

Uso na pesquisa biológica

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.

Uso na pesquisa biológica

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 farmacêuticodescartável, em geral.

Seria praticamente impossívelesterilizar, pelos métodosconvencionais (altas temperaturas),tais materiais, que se deformariamou se danificariam.