Strahleneinwirkung auf lebende Zellen
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Der menschliche Körper besitzt etwa 30 Billionen Zellen, in jedem Zellkern befinden sich die Chromosomen mit den Genen, die aus der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure , kurz DNS genannt, bestehen. Die menschlichen Zellen besitzen zwar eine spezifische Funktion, jedoch finden sich in jeder Zelle alle Informationen über den Körper des jeweiligen Menschen. Das Verfahren, das die Zellen anwenden, um aus der DNS die benötigte Funktion zu ermitteln ist noch nicht bekannt. Die DNS besteht aus Phosphorsäure, den 4 organischen Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, und dem Zucker Desoxyribose. Jeweils 2 Basen bilden in einem strickleiterähnlichen Kettenmolekül die Sprossen, jedoch gibt es nur die Möglichkeiten der Verknüpfung zwischen Adenin und Thymin (oben), und Cytosin und Guanin (unten). Die Information wird durch die aufeinanderfolge der Basenpaare erzeugt, drei Basenpaare erzeugen ein Codon, die kleinste Verschlüsselungseinheit. Ein Gen wird durch 100 bis 300 hintereinander liegende Codons erzeugt, eine Zelle kann, falls funktionsfähig, zum richtigen Zeitpunkt den richtigen Abschnitt der DNS lesen, um die benötigte biochemische Reaktion auszulösen. Die Aktivierung des Gens löst einen Aminosäureketteaufbau aus, das Ablesen des Zuständigen Codons führt zu einer Zusammen- setzung der Aminosäure mit anderen zu einem Enzym, das entweder in- oder außerhalb der Zelle wirken kann.
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Illustration zum Doppel-Helix Modell der DNS nach J.D. Watson und F.H.C. Crick
Die Basen verhalten sich wie positiv und negativ zueinander, also ist die Reihenfolge des nächsten Stranges festgelegt. Bei der Chromosomenteilung trennen sich die Stränge entlang der Basenpaare, und im Zellplasma die Gegenstücke gebildet. Nun können aber bei dieser Selbstverdopplung oder auch durch äußere Einflüsse, zu denen auch radioaktive Strahlung zählt, Schäden auftreten, eine sogenannte Mutation vollzieht sich. Man spricht von einer Punkt- oder Genmutation, wenn die Basenfolge in einem kleinen Bereich z.B. von GGA auf GAG umgestellt wird; von einer Chromosomenmutation spricht man, wenn ein Chromosom auseinander bricht, und sich an andere Chromosomen anlegt, wieder fehle rhaft zusammenwächst oder verloren geht. Die bekannteste Genommutation ist die des DownSyndroms, dabei ändert sich die Anzahl des Chromosoms 21 von 2 auf 3 Chromosomen pro Zelle.
Sobald ionisierende Strahlen auf einen Organismus treffen, werden physikalische, und in der Folge biologische und chemische Reaktionen ausgelöst. Dies tritt in den einzelnen Zellen auf. Physikalisch spricht man in der ersten Phase von einer Ionisation und Anregung. Bei der Ionisation vollzieht sich eine Trennung eines Elektrons aus der Atomhülle, bei der Anregung eine Verschiebung innerhalb der Hülle, das bedeutet eine Hebung des Energieniveaus. Diese Zustände können jedoch wieder rückgängig gemacht werden. Geschieht dies nicht, so kann die Intramolekulare Kraft aufgehoben werden, das Molekül zerbricht, da seine Elektronenhülle sich in einem veränderten bzw. instabilen Zustand befindet. Sobald ein Strahlungsteilchen oder ein Energiequant auf ein Molekül trifft, es anregt oder ionisiert, kommt es zu diesem Auseinanderbruch, in dessen Folge die Bruchstücke chemisch anders als die Ursprungsstücke reagieren. Sollten neu entstandene Verbindungen toxisch sein, verstärkt sich dieser Effekt noch. Wenn zum Beispiel Wasser, als Hauptbestandteil der Zelle, auf ionisierende Strahlen trifft, bildet sich das starke Zellgift Wasserstoffperoxid. Die Wasserstoffperoxide können lebenswichtige Bausteine im Körper des Säugetiers angreifen, wie z.B. Fette, Eiweiße, sogar die DNS und Zellmembranen. Je höher die Strahlendosis ist, desto mehr ,,Radikale" des Wassers können Körperzellen angreifen. Durch den Stoffwechsel können jedoch die veränderten bzw. neu entstandenen Moleküle oder Molekülstrukturen repariert oder entfernt werden.
Die Reaktionen können zu einem biologischen Bestrahlungseffekt führen, dabei wird die Funktionsfähigkeit oder das biologische Verhalten der Zelle verändert, dies muss aber nicht nach außen sichtbar werden. Falls das Abwehrsystem des Körpers nicht richtig reagieren kann, oder überfordert wird, kommt es zu Strahlenschäden. Der Zellkern ist durch das Tragen der Erbinformationen wesentlich empfindlicher als das Zellplasma, das ist der Grund, warum man bevorzugt an sich teilenden Zellen einen biologischen Bestrahlungseffekt feststellt. Beim Embryo, bei der Produktion der roten Blutkörperchen und in der Magenschleimhaut sind die höchsten Zellteilungsraten im menschlichen Körper zu finden. Es gibt die Somatischen Schäden direkt beim Menschen, und die genetischen Schäden bei seinen Nachkommen. Es kann zu folgenden Schäden kommen:
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Somatische Zellen können Jahre nach der Bestrahlung bösartig zu wuchern beginnen und Tumoren ausbilden, eine häufige Spätfolge ist Blutkrebs, die Leukämie. Eine einmalige Bestrahlung mit einer Strahlendosis von ca. 7000 mSv ist tödlich, wenn der Bestrahlte nicht behandelt wird. Alphastrahlen sind gefährlicher als Betastrahlen, die Strahlenschäden sind bei gleicher Energiedosis etwa 20 mal höher als die der Betastrahlen.
Zum Vergleich sind für alle Strahlungsarten Qualitätsfaktoren Q festgelegt worden
Häufig gestellte Fragen
Was passiert, wenn Strahlung auf lebende Zellen trifft?
Wenn ionisierende Strahlen auf einen Organismus treffen, werden physikalische, chemische und biologische Reaktionen ausgelöst, die die Funktionsfähigkeit der Zelle verändern können. Dies kann zu Strahlenschäden führen, insbesondere wenn das Abwehrsystem des Körpers überfordert ist.
Welche Schäden können durch Strahlung verursacht werden?
Strahlung kann somatische Schäden (direkt beim bestrahlten Individuum) und genetische Schäden (bei den Nachkommen) verursachen. Somatische Schäden können beispielsweise zu Tumoren, Blutkrebs (Leukämie) oder sogar zum Tod bei hohen Strahlendosen führen. Genetische Schäden betreffen die Erbinformationen und können sich in zukünftigen Generationen manifestieren.
Wie wirkt Strahlung auf die DNS?
Strahlung kann Mutationen in der DNS verursachen, indem sie die Basenfolge verändert (Punktmutation) oder Chromosomen beschädigt (Chromosomenmutation). Dies kann dazu führen, dass Zellen ihre Funktion verlieren oder sich unkontrolliert teilen.
Welche Rolle spielt Wasser bei Strahlenschäden?
Wasser, als Hauptbestandteil der Zelle, kann durch ionisierende Strahlen in Wasserstoffperoxid umgewandelt werden, ein starkes Zellgift. Wasserstoffperoxid kann lebenswichtige Bausteine im Körper angreifen, wie z.B. Fette, Eiweiße, DNS und Zellmembranen.
Welche Zellen sind besonders empfindlich gegenüber Strahlung?
Zellen, die sich häufig teilen, wie z.B. Embryozellen, Zellen des Knochenmarks (Produktion der roten Blutkörperchen) und Zellen der Magenschleimhaut, sind besonders empfindlich gegenüber Strahlung, da der Zellkern (der die Erbinformationen trägt) empfindlicher ist als das Zellplasma.
Was sind Alphastrahlen und Betastrahlen?
Alphastrahlen sind gefährlicher als Betastrahlen. Bei gleicher Energiedosis sind die Strahlenschäden durch Alphastrahlen etwa 20-mal höher als die durch Betastrahlen.
Was bedeutet "Qualitätsfaktor Q" in Bezug auf Strahlung?
Für alle Strahlungsarten sind Qualitätsfaktoren (Q) festgelegt worden, um die unterschiedliche biologische Wirksamkeit verschiedener Strahlungsarten zu berücksichtigen.
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- Daniel Bögeholz (Author), 2000, Strahleneinwirkung auf lebende Zellen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/99950
