Effetti delle radiazioni
ionizzanti sulla cellula
Effetti sulla cellula isolata
Mediante irradiazioni con micro-fasci è stato
possibile osservare che:
• il nucleo è più “radiosensibile” del citoplasma;
• la irradiazione del citoplasma determina fenomeni
reversibili;
• la irradiazione del nucleo può causare la morte
cellulare.
I danni cellulari si producono anche per dosi
“relativamente” basse (0,25 Gy) nei tessuti più
radiosensibili.
Effetti sulle molecole organiche
• Le alterazioni più importanti concernono le modificazioni delle
macromolecole; i meccanismi coinvolti riguardano la rottura di
legami inter-atomici, la formazione di radicali liberi in
soluzione che portano alla formazione di nuovi legami intraed inter-molecolari.
• Queste alterazioni e degradazioni comportano variazioni dello
stato fisico e chimico delle molecole a livello di peso
molecolare, viscosità, tensione superficiale, conducibilità
elettrica, punto di ebollizione e congelamento.
• L’effetto biologico finale può essere correlato a fattori fisici
quali la concentrazione di ossigeno e la temperatura
dell’ambiente in cui si verifica l’irradiazione, nonché
l’importanza funzionale del sistema danneggiato.
Effetti su proteine ed enzimi
• L’azione delle radiazioni si manifesta con alterazioni delle
catene principali, costituite dalla sequenza degli
aminoacidi, formazione di legami tra molecole diverse o
all’interno delle stesse, od ancora, con modificazioni della
struttura secondaria.
• Queste modificazioni alterano la struttura tridimensionale
della proteina e portano ad una perdita di funzione.
• Nel caso di proteine con attività enzimatica, questa può
ridursi o cessare, oppure aumentare per l’azione delle
radiazioni non sull’enzima stesso, ma su attivatori e
inibitori enzimatici, o in seguito a processi che portano alla
liberazione dell’enzima per alterazione della permeabilità
delle membrane citoplasmatiche.
Effetti sui lipidi
• La principale azione consiste in fenomeni di
decarbossilazione e perossidazione degli acidi grassi
insaturi, con formazione di perossidi organici e
radicali liberi.
• Questi a loro volta svolgono una azione lesiva sulle
altre molecole di interesse biologico.
• La alterazione dei lipidi di membrana produce
inoltre modificazioni del trasporto degli ioni.
Effetti sulle membrane cellulari
•
L’alterazione degli elementi costitutivi delle
membrane cellulari, proteine e lipidi, è alla base del
danno delle stesse.
•
Le alterazioni di membrana determinano variazioni
della permeabilità per ioni ed acqua e conseguenti
squilibri di tipo elettrolitico.
•
A seconda della specifica funzione di ciascuna
cellula possono verificarsi alterazioni di meccanismi
fini, quali la conduzione degli impulsi elettrici, o
talmente gravi da comportare la morte cellulare.
Effetti sul citoplasma
• Il danno è in minima parte diretto, essendo per lo più
correlato alle alterazioni delle membrane degli organelli
citoplasmatici quali, in primis, mitocondri, lisosomi e
reticolo endoplasmatico.
• I mitocondri sono molto radiosensibili, con evidenziazione
precoce del danno sotto forma di rigonfiamento e
formazione di vacuoli tra le creste mitocondriali.
• Il danneggiamento dei lisosomi determina la liberazione di
enzimi catabolici che danneggiano proteine, acidi nucleici e
altri componenti essenziali della cellula
• Le alterazioni del reticolo endoplasmatico si traducono
invece in danno di funzioni enzimatiche e alterazioni della
sintesi proteica mediata dall’RNA.
Effetti sulle molecole
di DNA e RNA (I)
•
Le lesioni del
componenti.
DNA
possono
riguardare
tutti
i
suoi
•
Tra le alterazioni chimiche possono verificarsi deaminazione
delle basi azotate, ossidazione degli zuccheri, rottura del
legame tra il pentoso e la base azotata, o con l’acido
fosforico; dalla rottura delle catene nucleotidiche possono
derivare frammenti che ricombinandosi portano alla
formazione di molecole ramificate.
•
La rottura può riguardare una sola o ambedue le eliche.
•
Il DNA è, però, potenzialmente in grado di riparare il
danno radioindotto.
Effetti sulle molecole
di DNA e RNA (II)
•
Il meccanismo più accettato è quello della riparazione
mediante asportazione che si svolge con una iniziale
eliminazione della porzione di DNA alterata.
•
La riparazione prosegue con la sostituzione del frammento
rimosso con uno nuovamente sintetizzato sotto l’azione di
una polimerasi.
•
La riparazione può essere molto rapida se non sono state
permanentemente alterate ambedue le eliche in uno stesso
segmento e se non si verificano ripetute irradiazioni che
consolidano il danno e creano nuove lesioni (vedi “danni
cromosomici”).
Effetti sul DNA (I)
Essendo il DNA il depositario di tutta l’informazione
genica della cellula è intuitivo come un eventuale
danno irreversibile su una parte di esso possa
comportare, tra le possibili eventualità:
•
•
–
la inattivazione o riduzione della espressione di un gene;
–
la sua iper-espressione;
–
la produzione di proteine/enzimi modificati strutturalmente e
quindi funzionalmente alterati.
Questo, a seconda dei geni modificati, può non
comportare
alcuna
alterazione
delle
funzioni
biologiche, oppure deviare il comportamento cellulare
in senso “proliferativo” o verso la morte.
Effetti sul DNA (II)
•
Ma perché il detrimento maggiore che la cellula può
subire ad opera della radiazioni ionizzanti è legato
principalmente al danno sul DNA?
radiazione
radiazione
radiazione
Effetti sul nucleo
• Una dose elevata può causare la morte cellulare
immediata mentre dosi inferiori a quella letale possono
determinare necrosi differite dovute al blocco del
ciclo cellulare od alla comparsa di mitosi abortive.
• In questo caso le cellule possono conservare una certa
attività metabolica, ma non riprodursi per alterazione
dei cromosomi.
• Nei tessuti a lento rinnovamento le lesioni latenti
spesso non appaiono fino al momento della mitosi.
Meccanismi di difesa
• Sistemi di protezione rivolti verso agenti
ossidativi esogeni ed endogeni:
– enzimi quali la superossido dismutasi, la
catalasi e la glutatione perossidasi;
– composti anti-ossidanti intracellulari quali il
glutatione e le vitamine C ed E.
Meccanismi di riparazione
• Basse dosi di raggi X o γ:
– inducono la sintesi di sistemi di riparazione con una latenza di
poche ore (enzimi quali: glicosidasi, liasi, polimerasi e ligasi);
– dopo
una
singola
esposizione
generano
un
aumento
di
protezione, variabile da ore a settimane, nei confronti sia di
nuove irradiazioni che di fonti di danno non-radiogene.
• Il massimo risultato si ottiene per dosi <0.1-0.5 Gy:
–
non si manifesta con dosi superiori;
– è del tutto simile alla fisiologica risposta cellulare allo stress
ossidativo.
Funzioni cellulari
Funzioni cellulari
• Le funzioni cellulari dipendono dal tipo di
tessuto in esame.
• La funzione vitale è l’unica comune a tutte
le cellule.
• Molte cellule hanno funzione proliferativa
mentre altre mantengono inalterato il
patrimonio ereditario.
• Ma cosa accade in seguito all’irradiazione?
Funzione vitale
Modalità di danno cellulare (I)
• E’ possibile provocare una lesione in una “parte”
vitale con un’unica somministrazione ad alta
dose (effetto mono-dose) o per effetto di più
somministrazioni a bassa dose ma che, nel
tempo, conducono alla morte cellulare per
sommazione di eventi sub-letali.
• In questo caso però:
– la somma degli eventi sub-letali dev’essere tale da
fornire una dose letale;
– gli eventi devono sommarsi nella stessa cellula in
tempi brevi per evitare che questa recuperi.
Modalità di danno cellulare (II)
• I meccanismi di morte di una cellula
possono essere molto diversificati:
– può bastare la inattivazione di una sola
molecola (es. DNA);
– può necessitare il “blocco” di milioni di
molecole enzimatiche non in grado,
singolarmente, di compromettere la vitalità
cellulare.
Frequenza di morte in un
sistema biologico (I)
• Qual’è l’andamento della frequenza di morte in un
sistema biologico per una certa quantità di radiazioni?
E’ un fenomeno probabilistico!
Gaussiana
Frequenza
di morte
(ν)
dose media (Dm)
Frequenza di morte in un
sistema biologico (II)
• Aumentando la Dm cresce la quantità di cellule
inattivate e, se la dose sale ancora, si aggiungono
progressivamente sempre meno cellule a quelle già
morte.
100%
Frequenza
di morte
Sigmoide
(derivata di una
Gaussiana)
Dm (dose media)
Frequenza di morte in un
sistema biologico (III)
-σ
+σ
ν
-σ
+σ
ν
Dm
Dm
• Lo schiacciamento o meno della gaussiana sta a
significare una diversa “radiosensibilità” a quel tipo di
radiazione da parte del materiale irradiato.
• Sia le curve (a) che la (b) sono asintotiche, per cui
non esiste una dose, anche elevata, che mi garantisca
l’inattivazione di tutte le cellule del sistema.
Concetto di morte cellulare
• Morte in interfase: rapida interruzione del metabolismo
cellulare e disintegrazione della cellula; consegue ad una
irradiazione con alte dosi (decine di Gray); avviene in poche
ore ed è provocata dalla liberazione di enzimi litici
intracellulari, frammentazione del nucleo e del citoplasma.
Questo evento riguarda principalmente linfociti, ovociti e
cellule nervose.
• Morte riproduttiva: perdita della capacità della cellula di
riprodursi in modo illimitato (in pratica per almeno 5 volte). La
cellula talvolta può apparire immodificata sia per la forma che
per la funzione. E’ provocata dall’azione delle radiazioni
ionizzanti sul DNA. Questo evento riguarda soprattutto le
cellule epiteliali intestinali e gli spermatogoni.
• Morte genica: riguarda tutti i tipi cellulari ed è dovuta
all’alterazione di geni indispensabili alla vita cellulare.
