SRP om radioaktivitet, stråling og DNA-skader i Bioteknologi og Fysik

Side 1

2014/2015

[STRÅLING OG DNA-SKADER]

Vejledere: (Bioteknologi A) & (Fysik B)

Underskrift:

Side 2

2

Abstract

This project describes DNA structure, ionizing radiation and the damages it can cause, and investigates different ways to repair DNA damage. The Ames-test, which can prove the mutagenic effect of ionizing radiation, will also be mentioned. Additionally, another experiment was conducted to prove the mutagenic effect of ionizing radiation. Through this experiment, barley seeds were exposed to different doses of radiation and the growth was measured afterwards. It was observed that seeds exposed to high doses of radiation were unable to survive and had only little growth.

This was because of the damage caused by radiation.

The effect of radiation on different plants with different chromosome counts and sizes will also be discussed. It was found that plants with larger and fewer chromosomes were more negatively affected by radiation than plants with more and smaller chromosomes.

From the experiment it could be concluded that radiation is able to affect the genetic material of plants and inhibit growth

Translating the effect of radiation seen with plants, to human beings will be discussed in the last part. Different doses of radiation have different effects on human cells. When a cell is unable to repair the effect radiation pose on its DNA, it can kill itself by apoptosis or develop into a cancer cell.

Being exposed to a high dose of radiation is extremely dangerous. Therefore it should be ensured that any future nuclear accident can be avoided.

Side 3

3

Indholdsfortegnelse

Abstract ............................................................................................................................................................. 2 Indledning .......................................................................................................................................................... 4 DNA’s opbygning ........................................................................................................................................... 4 Mutationer .................................................................................................................................................... 6 Ames-test til påvisning af ioniserende strålings mutagene effekt ................................................................ 9 Ioniserende stråling ..................................................................................................................................... 10 DNA-skader forårsaget af ioniserende stråling ........................................................................................... 13 DNA reparation ............................................................................................................................................ 15 Dosisbegrebet .............................................................................................................................................. 16 Forsøg med bestrålede frø: ............................................................................................................................. 18 Kromosomantallets betydning .................................................................................................................... 21 Planteforsøg og virkeligheden for mennesker ................................................................................................ 24 Konklusion ....................................................................................................................................................... 26 Litteraturliste ................................................................................................................................................... 30 Bøger ........................................................................................................................................................... 30 E-bøger ........................................................................................................................................................ 30 Hjemmesider ............................................................................................................................................... 30 Billedkilder ................................................................................................................................................... 31 Bilag 1 .............................................................................................................................................................. 33 Bilag 2: ............................................................................................................................................................. 34

Side 4

4

Indledning

Et stort uheld indtraf fredag den 25. april 1986 i Tjernobyl i Ukraine. Den internationale skala for uheld på atomanlæg, som blev vedtaget i 1990, har placeret Tjernobyl-ulykken som den hidtil eneste klasse 7 katastrofe [1]. Det nævnes, at klasse 7 er betegnelsen for et omfattende radioaktivt udslip, der har en hærgende effekt på bl.a. DNA, men hvordan?

For at belyse hvorledes radioaktive stoffers ioniserende stråler har en hærgende effekt på DNA, gives en redegørelse for DNA’s opbygning og eksempler på mulige mutationer i DNA. Herefter afklares forsvarsmekanismen mod mutationer forårsaget af ioniserende stråling. Der diskuteres derudover konsekvenser ved mutationer, forårsaget af ændringer i cellernes reparationsmekanismer.

Med udgangspunkt i radioaktive stoffers ioniserende effekt, udføres et forsøg der indgår i forståelsen og vurderingen af ioniserende strålers mutagenicitet. Forsøget udføres, så en diskussion af konsekvenserne ved stigende strålingsdosis muliggøres. De udleverede grafer, som viser resultatet af et lignende forsøg, blive ligeledes blive inddraget, så betydningen af planters kromosom størrelse og antal kan tages med i diskussionen.

Afslutningsvis vil erfaringerne fra forsøget bruges, i håb om at kunne drage paralleller til de ioniserende strålers effekt på mennesker.

DNA’s opbygning

Nukleinsyre er biologiske polymerer, opbygget af nukleotider. DNA, der er en nukleinsyre som udgør enhver organismes arvemateriale, består af to snoede strenge, der vha. hydrogenbindinger holdes sammen. Disse strenge består af fire nitrogenholdige baser, hvoraf baserne Adenin (A) og Thymin (T) altid sidder overfor hinanden med to hydrogenbindinger, og ligeledes Cytosin (C) og Guanin (G), dog med hele tre hydrogenbindinger. Dette kaldes baseparringsprincippet. Disse fire

1

Risø: International Kernekraftstatus http://www.akraft.dk/risoe2002.pdf

Side 5

5 baser er lokaliseret i centrum af de to strenge, og sidder hver især bundet til en deoxyribose, hvilket er en pentose sukkergruppe, samt en phosphatgruppe. På figur 1 er deoxyribosen farvet med orange, mens phosphaten er markeret med en gul cirkel. En af de fire baser, en phosphat og en deoxyribose udgør tilsammen et nukleotid [2].

DNA’ets to snoede strenge er desuden antiparallelle, hvilket betyder at de løber modsat hinanden.

Således vil den kæde med 3’enden baseparre sig med 5’enden som vist på figur 1. Strengene er hinandens spejlbillede pga. baseparringspricippet, hvilket vil sige at hvis baserækkefølgen i den ene kæde kendes, vil man kunne opstille rækkefølgen af den anden kæde [3].

På figur 2 ses DNA fra en eukaryot celler. Dette DNA er viklet rundt om proteiner kaldet histoner, hvis funktion blandt andet er at stabilisere og pakke DNA’et ind.

Det bliver derfor et kompakt net af DNA-strenge snoet op omkring en masse histoner, hvilket kaldes et kromosom [4]. Mennesker har normalt 46 kromosomer, dvs. 23 par, hvoraf 22 af disse par kaldes autosomer, mens det resterede par, der koder for kønnet, kaldes kønskromosomerne.

Der findes sekvenser indenfor DNA’et der er kodende (exons) og sekvenser der ikke er kodende

(introns). Forskellen mellem disse to sekvenser er især vigtigt ved proteinsyntesen. Første trin i syntesen af et protein er at få omskrevet genet der koder for proteinet fra DNA til RNA. Ved denne omskrivning, transkriptionen, vil enzymet RNA-polymerase, som vist på figur 3, binde sig til DNA’et hvorefter helikasen vil adskille DNA’et til to enkeltstrenge ved at bryde baseparrenes hydrogenbindinger [5]. Derefter opbygger RNA-polymerasen en RNA-streng ud fra baseparringsprincippet, hvor thymin (T) udskiftes med uracil (U). I denne primær-RNA streng vil både introns og exons være til stede. Da introns er de ikke-kodende sekvenser i et gen, vil de ikke kunne bruges videre i proteinsyntesen, og

2

Bidstrup, Bodil Blem, m.fl. Bioteknologi 1. S. 53

3

Sørensen, Annette B. Genetik – grundbog. S. 64.

4

Gyldenholm, A. O. MED LIVET I HÆNDERNE. S. 45

5

Bidstrup, Bodil Blem, m.fl. Bioteknologi 1. S. 54

Figur 1: DNA’ets opbygning

Figur 2: DNA’ets placering i en eukaryot celle

Figur 3: Dannelsen af en RNA-kopi fra DNA-strengen.

Side 6

6 derfor bliver al introns skåret væk fra primær-RNA’et. Exons bliver efterfølgende splejset sammen af nogle spliceosomer, hvorefter denne mRNA går videre i processen for syntesen af et protein [6].

Mutationer

Ændringer i arvematerialet kaldes en mutation og forekommer i alle celler i kroppen. Der skelnes mellem mutationer i en almindelig celle, såsom en muskelcelle, og mutationer i kønscellerne.

Forekommer en mutation i en almindelig celle, kaldes det somatisk mutation, og det vil ikke have nogen betydning for fremtidige afkom, men måske for det enkelte individ [7]. En mutation i en kønscelle, kaldet en gametisk mutation, vil derimod kunne videregives til næste generation [8].

Man kan inddele mutationerne i to hovedgrupper, nemlig punktmutationer og kromosommutationer.

Mutationer hvor et enkelt nukleotid ændres fra f.eks. A til G, kaldes en punktmutation. Man kan sige at der overordnet findes to former for punktmutationer: substitutionsmutationer og frame-

                                                               9
shift mutationer. Substitutionsmutationerne kan inddeles i tre undergrupper , hvoraf den første

er en tavs mutation:

Den tavse mutation er harmløs, da baserækkefølgen ændres uden at det har nogen indvirkning på koden. Som det ses på figur 4, så er en tavs mutation en ændring af en tripletkode som ændres fra for eksempel GCT til GCG. I dette tilfælde koder begge codon for aminosyren arginin [10] så den tavse mutation har ingen konsekvenser for den videre

                               11
transkription og translation af DNA’et .

Den anden form for punktmutation kaldes missens-mutation, og kan, modsat den tavse mutation, have alvorlige konsekvenser. En missens-mutation opstår

6

Bidstrup, Bodil Blem, m.fl. Biologi i fokus. S. 88

7

Jørgensen, Ove. KRÆFT OG BIOLOGI. S. 54

8

Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. S. 75.

9

Nielsen, Hulgaard, Clemmensen m.fl. Kort om kræft S. 21.

10

Kirk, Isa Kristina. Immunologisk Bioinformatik:

11

Bidstrup, Bodil Blem, m.fl. Biologi i fokus. S. 88

Figur 4: En tavs mutation. T bliver til G

Figur 5: En missens-mutation. C bliver til G

Side 7

7 når et codon går fra at kode for en aminosyre til en anden. Figur 5 viser hvorledes tripletkoden GCT er ændret til GGT, hvilket medfører at aminosyren arginin (GCT) ændres til prolin (GGT). Dette kan medvirke at genet vil kode for et ufunktionelt protein frem for et funktionelt, hvis denne

mutation er sket i exons DNA^{12}.

En tredje form for punktmutation er nonsens-mutation, hvor ændringen af aminosyren medfører indførelsen af et stop-codon. Et stop-codon kan være henholdsvis TAA, TAG eller TGA. Ved et stop-codon stopper DNA-polymerasen i utide, således at transkriptionen ikke færdiggøres og dermed bliver proteinet forkortet. Der er vist på figur 6 en ændring i en tripletkode, hvor et codon som koder for fenylalanin

(AAG), ændres til et stop-codon (TAG).

I den anden form for mutation, en frame-shift mutation, bliver der enten tilføjet eller fjernet et nukleotid modsat punktmutationer, hvor et nukleotid udskiftes med et andet. Mutationen medfører at transkriptionen af et DNA til RNA ændres, således at der sker en forskydning i hele læserammen, så tripletkoderne aflæses af RNA-polymerasen med en forskydning på én. En frame-shift mutation nøjes ikke med at ændre kodningen for én aminosyre, men skaber også rod i de efterfølgende codons. Som vist på figur 7, bliver sammensætningen af aminosyrerne ændret [13].

Ved større ændringer i DNA’et taler man om kromosommutationer. Disse mutationer kan opstå under celledeling og inddeles i flere forskellige mutationstyper, hvoraf en af dem er deletion. Ved en deletion i et kromosom bortfalder et stort antal baser, mens der i en anden form for kromosommutation, duplikation, sker en tilføjelse af baser. En tredje type er translokationsmutationer, hvor et løsrevet kromosomstykke bliver overført fra et kromosom til et andet [14]. Hvis to kromosomstykker udelukkende bytter plads vil cellen stadig indeholde alt det arvemateriale den skal, dog med et stykke det er placeret forkert. Dette kaldes en balanceret

12

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/mutation

13

Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. S. 75.

14

Jørgensen, Ove. KRÆFT OG BIOLOGI. S. 55

Figur 6: En nonsens-mutation. A bliver til T

Figur 7: En frame –shift mutation. T bliver tilføjet

Figur 8: En ringkromosoms dannelse ud fra et kromosomstykke

Side 8

8 mutation, og er sjældent sygdomsfremkaldende [15]. Ved en ubalanceret mutation vindes eller tabes kromosommateriale, som kan føre til kromosomsygdomme. Hvis en rotation af et lille stykke af et kromosom forekommer, således at kromosomstykket vendes 180 grader, kaldes det en

inversion^{16}.

Det kan forekomme, at et kromosom med et brud i, vil danne et ringkromosom, der er et kromosomstykke formet som en ring. De resterende kromosomstykker fra dette kromosom deles op i mindre fragmenter som vist på figur 8. Ringkromosomer kan have stor betydning for fertiliteten hvis den sker i en stamcelle til en kønscelle. I en kropscelle har ringkromosomer ingen

større betydning^{17}.

Når kroppen producerer kønsceller med halvt så mange kromosomer som almindelige celler, vil en meiotisk deling finde sted. Ved denne celledeling kan forekomme isokromosomer.

Isokromosomer er, som vist på figur 9, en forkert adskillelse, som kan resultere i en nedsat

       18
fertilitet.

Nedenstående figur er en oversigt over mutationstyperne: [19]

Mutationstyper: | Undertyper: | Kendetegnes ved at: | Primær alvorlighed:
Punktmutation | Substitutionsmutation | En base udskiftes | Kan ændre et gen

Frame-shift mutation En base Ændrer ofte et gen

indsættes/bortfalder meget

Kromosommutation | Deletion | Genpuljen er intakt, | Individer er ofte sterile

men problemer ved | pga. store problemer
kønscelledannelsen. | med
Gener kan | kønscelledannelsen.

undtagelsesvist være defekte, hvis bruddene

Duplikation

Translokation

Inversion

15

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/translokation

16

Bidstrup, Bodil Blem, m.fl. Biologi i fokus. S. 130

17

Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. S. 80.

18

Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. S. 80

19

Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. S. 84.

Figur 9: Isokromosomers dannelse ud fra et kromosompar

Side 9

9

Ringkromosom på kromosomerne sker lige midt i et gen. Dog er introns-områderne meget større end exons-områderne er.

Isokromosom

Alle disse mutationer kan opstå spontant, eller være et resultat af mutageners påvirkning. I vores omgivelser er der et stort antal kemikalier, der har mutagen effekt, og det samme gælder UV-stråling og ioniserende stråling [20]. Hyppigheden af mutationers opståen forøges betydeligt ved mutageners påvirkning. Det siges at ioniserende stråling giver skader i DNA’et, der på normalvis bliver rettet, og ikke direkte er skyld i mutationer. Det er dog ikke altid at disse DNA skader bliver repareret, hvilket kan medføre celledød eller ændret fænotype. Mutationer kan også opstå under reparationen af allerede ødelagt DNA. Der findes flere undersøgelser til påvisning om hvorvidt ioniserende stråling er mutagen. Undersøgelserne omfatter dels forsøg med planter og dyr, forsøg med isolerede celler og endelig forsøg med bakterier [21]. Et af forsøgene med bakterier er Ames-testen.

Ames-test til påvisning af ioniserende strålings mutagene effekt

I Ames-testen anvendes ofte bakterien Salmonella typhimurium der har en mutation i genet der koder for dannelsen af aminosyren histidin. Disse bakterier kan, pga. mutationen, ikke klare sig uden tilføjelsen af histidin, og er derfor auxotrofe overfor histidin [22]. Bakterierne kan derfor kun vokse på et næringssubstrat tilsat denne aminosyre. Testen går ud på at man kan udsætte disse bakterier for mutagene stoffer, således at bakterierne ved tilbagemutation kan bringes tilbage til deres oprindelige tilstand, og dermed igen blive i stand til at danne aminosyren histidin. Hvis tilbagemutationen er sket, vil det ses ved at bakterierne kan vokse på næringssubstrat uden

      23
histidin .

20

Bidstrup, Bodil Blem, m.fl. Biologi i fokus. S. 130

21

Jørgensen, Ove. KRÆFT OG BIOLOGI. S. 72

22

http://www.biotechacademy.dk/Undervisningsprojekter/Gymnasiale-

projekter/genteknologi/teori/4genteknologisketools/screening-og-selektion
23

Rank, Jette og Henrik Blicher Pedersen. KRÆFT – biologi og kemiske miljøfaktorer. S. 35 Figur 10: Fremgangsmåden for udførelsen af en Ames-test

Side 10

10

Ved at have to agarplader med en begrænset mængde histidin tilføres den ene plade nogle auxotrofe Salmonella typhimurium bakterier, som kontrolprøven. Den anden plade tilføres også auxotrofe Salmonella bakterier, der dog først er blevet udsat for ioniserende stråling. Bakterierne spredes på agarpladerne, så de kan vokse som vist på figur 10. Kontrolprøven er nødvendig, da bakterierne kan tilbagemutere uden at blive bestrålede. Efter to døgn ved 37 °C er prøverne klar med et resultat. Resultatet af testen fås ved at tælle antallet af bakteriekolonier fra kontrolprøven, og trække dem fra antallet af kolonier i agarpladen med de bestrålede bakterier [24]. Hvis prøven er negativ, hvilket betyder at antallet af kolonier i agarpladen med de bestrålede bakterier er minimal, må man konkludere at ioniserende stråling ikke skader DNA’et og dermed ikke øger risikoen for mutationer. Hvis prøven derimod er positiv, og der er mange kolonier, vil man kunne påvise, at ioniserende stråling har en ødelæggende effekt på DNA’et, således at sandsynligheden for mutationer forøges [25]. Ames-testen er blevet lavet utallige gange med ioniserende stråling, og resultatet er entydig, nemlig at ioniserende stråling har en skadende effekt på DNA [26].

Ames-testen er som nævnt ikke den eneste metode, til undersøgelse af ioniserende strålings mutagene effekt. Man kan bl.a. eksperimentere med bestrålede frø. Dette vil ikke blive uddybet nærmere på side 19.

Ioniserende stråling

Den strøm af partikler, deriblandt også fotoner, der kan ionisere det stof, den bevæger sig i, kaldes ioniserende stråling, og udsendes bl.a. i forbindelse med henfaldet af radioaktive atomkerner fra ødelagte kraftværker [27]. Der findes flere former for ioniserende stråling, og de tre hovedgrupper nævnes her:

Stråling fra tunge og ladede partikler: Her findes α-partikler, dvs. heliumkerner, der er udsendt ved radioaktive henfald. Desuden placeres også protoner og fissionsfragmenter, der er udsendt i

24

Rank, Jette og Henrik Blicher Pedersen. KRÆFT – biologi og kemiske miljøfaktorer. S. 36

25

Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. S. 87

26

Thorling, E. B. Kræft, biologi og forskning. S.86

27

Christensen, Brian Krog. MEDICINSK FYSIK – om stråling og kræft. S. 26

Side 11

11 forbindelse med fission, i denne gruppe. Disse partikler forårsager ioniseringer under deres nedbremsning af et materiale, og derfor kaldes de direkte ioniserende [28].

En anden strålingsform er elektron og positronstråling. Her er β-partikler, dvs. elektroner og positroner, placeret. Disse β-partikler betegnes også direkte ioniserende, da de ligeledes forårsager mange ioniseringer under deres nedbremsning i materialer [29].

Den tredje strålingsform er γ-stråling, der dannes når et henfald af atomkerner forekommer, samt røntgenstråling, der dannes når elektroner nedbremses. De er begge meget kortbølgede. De elektroner, som bliver slået løs af de enkelte fotoner fra denne type stråling, er på normalvis også i stand til at ionisere andre atomer [30]. γ- og røntgenstråling ioniserer derfor på en indirekte måde, således at mange ioniseringer forekommer fordi fotonerne slår elektroner løs, som indgår i den

direkte ioniseringsmekanisme, som nævnt ovenfor^{,} [31] [32]. Denne sekundære ionisering kaldes også

              33
for delta-stråling .

Startskuddet for opdagelsen af de tre former for radioaktive henfald, α-, β-, og γ-stråling begyndte i 1896. Antoine Becquerel valgte på dette tidspunkt at undersøge hvorledes fotografiske plader, der var placeret under nogle mineralske prøver, blev belyst uden sollys [34]. Det viste sig at disse prøver indeholdt blandt andet uran. Konklusionen på hans undersøgelse var, at fænomenet ikke kunne forklares med den daværende viden indenfor fysik og kemi. Senere opdagede man at mindst to typer stråling blev udsendt fra uranmineralerne, nemlig α- og β-stråling [35].

På figur 11 er afbøjningen af α-stråling i et magnetisk felt vist. Strålingen afbøjes da et α-henfald i en atomkerne bliver udsendt fra kernen med høj energi. En α-partikel består af to protoner og to

neutroner, og er derfor en heliumatomkerne (He^{++}) [36]. I Becquerels prøver med uran kunne

henfaldet have set således ud:

28

Se side 14 for mere info om direkte ionisering

29

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 101

30

Christensen, Brian Krog. MEDICINSK FYSIK – om stråling og kræft. S. 60

31

Se side 14 for mere info om indirekte ionisering

32

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 103

33

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 108

34

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 43

35

Harting, Claussen Both. Spektrum fysik II. S. 220

36

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 49

Side 12

12

𝑈 → 𝑇ℎ^{234}_{90} + 𝐻𝑒_{2}^{4}

92

238 α-stråling bliver stoppet af bl.a. menneskers hud, da α-partikler er forholdsvis store.

Figur 11 illustrerer også afbøjningen af β-strålingen i det magnetiske felt, hvor den bevæger sig modsat α-strålingen. Dette skyldes β-strålingens negative ladning. Denne type kerneomdannelse,

                                                                234
som formodentligt også foregik inde Becquerels fotografiske plader, kunne for Th have

               -         234
henfaldet ved et β -henfald til Pa:

𝑇ℎ → 𝑃𝑎^{234}_{91} + 𝛽_{−1}^{0} + 𝑣̅_{0}^{0}_{𝑒}

90

234 −

Ved denne type henfald bliver en af kernens neutroner omdannet til en proton, hvori der også

         -
                   0
opstår en β -partikel ( 𝑒 ) og en anti-elektron-neutrino (𝑣̅ ). Anti-elektron-neutrinoen (𝑣̅ ) er
                  −1                           𝑒                        𝑒

uladet,har en meget mindre masse end en elektron og er uden helsefysisk betydning [37]. Hvis en

                                                                +
atomkerne har for få neutroner i forhold til antallet af protoner, vil der ske et β -henfald, hvor en

                     +                              38
                               0
proton forsvinder og en β -partikel ( 𝑒 ), en positron, udsendes :
                             +1

𝑃𝑎 →^{234}_{90} 𝑇ℎ + 𝛽_{+1}^{0} + 𝑣̅_{0}^{0}_{𝑒}

91

234 +

Den eneste forskel på en β^{+} -partikel og en β^{-} -partikel er, at den er positivt elektrisk ladet. Både et
β^{-} - og β^{+} -henfald kaldes for β-henfald, og har en rækkevidde på omkring 1 cm i væv^{39}.

Omkring år 1900 blev den tredje og mere gennemtrængende strålingstype opdaget. Det var den franske kemiker og fysiker Paul Villard der konstaterede eksistensen af denne stråling [40].

Den nye form for stråling afbøjedes ikke i det magnetiske felt, da strålingen, der er γ-stråling, er ligesom lys og røntgenstråling. Desuden er γ-stråling yderst gennemtrængende.

Et β-henfald af molybdæn (Mo) ser således ud:

𝑀𝑜 → 𝑇𝑐_{43}^{99} + 𝛽_{−1}^{0} + 𝑣̅_{0}^{0}_{𝑒}

42

99 ∗ −

37

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 52

38

Christensen, Brian Krog. MEDICINSK FYSIK – om stråling og kræft. S. 26

39

Radioaktivitet – ioniserende stråling http://www.akraft.dk/radioakt.htm

40

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 45

Figur 11: Afbøjning af α-, β^{—} og γ-stråling i

et magnetfelt. Cirklerne med krydser viser magnetfeltet.

Side 13

13

Stjernen i ovenstående ligning tilføjes når en datterkerne, i dette tilfælde en isotop med et energioverskud, er radioaktiv. Denne isotop kan udsende γ-stråling, således at den overgår til

             41
grundtilstanden .

𝑇𝑐^{∗} → 𝑇𝑐_{43}^{99} + 𝛾

43

99

Efter denne gennemgang af ioniserende stråling, kan nu gives en forklaring på dens skadelige effekter på DNA.

DNA-skader forårsaget af ioniserende stråling

Ioniserende stråling kan være skyld i enten direkte eller indirekte ændringer i celler. På figur 12 ses en skitsering af hvorledes ioniserende stråling finder sted både direkte og indirekte.

Ved den indirekte påvirkning kan strålen ioniserer et hydrogenatom i en celle. Dette kaldes for den fotoelektriske effekt. Herefter vil den løsrevne elektron ramme DNA-strengen og forårsage en biologisk ændring på DNA’et. Da kroppens celler består af 80 % vand, er sandsynligheden for at strålingen rammer og ioniserer et vandmolekyle meget høj [42].

Reaktionen ser således ud:

𝐻_{2} 𝑂 + 𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑖𝑛𝑔 → 𝐻_{2} 𝑂^{+} + 𝑒^{−}

Ionen 𝐻_{2} 𝑂^{+} eksisterer kun i en celle i

yderst kort tid, da den meget hurtigt reagerer med et andet vandmolekyle således:

𝐻_{2} 𝑂 + 𝐻_{2} 𝑂^{+} → 𝐻_{3} 𝑂^{+} + 𝑂𝐻^{•}

Ligeledes vil elektronen også kunne reagere med vand, så en fri radikal dannes:

𝐻_{2} 𝑂 + 𝑒^{−} → 𝑂𝐻^{−} + 𝐻^{•}

41

Christensen, Brian Krog. MEDICINSK FYSIK – om stråling og kræft. S. 28.

42

Christensen, Brian Krog. MEDICINSK FYSIK – om stråling og kræft. S. 60

Figur 12: En skitsering af den direkte og indirekte måde ioniserende stråling kan påvirke DNA.

Side 14

14

De to frie radikaler, 𝑂𝐻^{•} og 𝐻^{•}, er ivrige efter at indgå i en kemisk reaktion. De kan bevæge sig få

nm inden de indgår i en kemisk reaktion, og derfor kan de komme hen til cellens DNA, hvor de ændrer eller bryder DNA’et og forårsager mutationer. Mængden af sådanne frie radikaler i kroppen øges i takt med kroppens udsættelse for ioniserende stråling. De beskadiger DNA’et på flere forskellige måder, hvoraf fire af disse stråleskader nævnes her:

1. Den første stråleskade er, som vist på figur 13, et brud på DNA-strengen. DNA-strengen består af to enkeltstrenge, og det er udelukkende den ene af disse enkeltstrenge der er blevet ødelagt.

2. Hvis begge enkeltstrengene er beskadiget omtrent samme sted, kaldes det et dobbeltstrenget brud. Her deles DNA-strengen i to, og man skulle tro at den ikke vil kunne repareres. Men da DNA-strengene er viklet rundt omkring histoner, vil DNA’ets struktur stadig holdes ved lige, selvom den er delt i to. Det er sandsynligt at disse DNA-skader

forårsager kromosommutationer^{43}^{,}^{44}.

3. Den tredje form for DNA-skader er hvor baser i DNA’et ændres og medfører en ændring i DNA’s basesekvens, altså punktmutationer. Denne form for skade kan både have større eller mindre betydning afhængigt af ændringen af baserne og

deres rækkefølge^{45}.

4. Den fjerde form for stråleskade der opstår i DNA’et, er dannelsen af thymin-, eller cytosin-dimer. De to mindre baser thymin og cytosin kaldes pyrimidinbaser, og er de eneste to baser, der kan danne denne dimer. Når en dimer opstår, sker det fordi den ioniserende stråling rammer to nabopyrimidinbaser, der derefter kobler sig fysisk sammen ved hjælp af

en kovalent binding^{46}.

Den stråledosis en krop udsættes for har betydning for hvilken type stråleskade der er tale om.

Hvis stråledosissen er lav, er det ikke sikkert at der opstår skader. Dog øges risikoen for kræft

43

Se side 8 for mere info om kromosommutationer.

44

Oxford Uni – DNA damage recongnition http://www.bioch.ox.ac.uk/aspsite/index.asp?pageid=892

45

Se side 6 og 7 for mere info om punktmutationer.

46

Stråling og helse http://www.mn.uio.no/fysikk/tjenester/kunnskap/straling/#k12.5

Figur 13: Fire forskellige former for stråleskader på DNA

Side 15

15 senere hen i livet. Denne udefinerede form for skader kaldes stokastiske skader, og er svær at lave statistik over, da resultatet af disse skader først ses flere år efter i form af f.eks. kræft [47]. Den anden stråleskade opstår ved en høj stråledosis og kaldes deterministiske skader. Her kan man med sikkerhed sige at man vil lide skade af strålingen, og disse kan allerede observeres få timer og

                      48
dage efter strålingsuheldet .

Cellerne har indbyggede reparationsmekanismer der sørger for at reparere de DNA-skader der kan opstå. Da DNA er dobbeltstrenget er der høj sandsynlighed for en korrekt reparation.

DNA reparation

Når ioniserende stråling har beskadiget DNA’et, kan skaden være dødelig eller ikke-dødelig for cellen. Hvis skaden er ikke-dødelig vil reparationsenzymer genskabe den ødelagte DNA-streng.

Figur 14 illustrerer hvorledes en DNA-streng med en thymin-dimer repareres [49].

Til at begynde med vil endonuklease-enzymer [50] klippe på begge sider af thymin-dimeren, hvorefter helicase-enzymer fjerner det klippede DNA-stykke. Med denne åbning i DNA’et vil DNA-polymerase kunne gå i gang med at sætte de rigtige baser på plads igen efter baseparringsprincippet, og så kan DNA-ligasen binde stykkerne sammen, så DNA’et igen er

intakt^{51}.

Det kan ske at reparationen af DNA ikke er mulig, og derfor vil apoptose, hvilket er programmeret celledød, opstå. Dette gør cellen for at undgå videregivelsen af mutationen ved celledeling. Hvis mutationen, altså cellens DNA-skade der ikke er repareret korrekt, ligger i et af de gener der styrer selvmordsprocessen, vil cellen have mulighed for at dele sig uhæmmet, og dermed danne en kræftsvulst. Dog skal cellen først forbi reparationsmekanismerne, som udgør første barriere ud af otte der er til for at forhindre mutationer i at komme til udtryk, og dermed også udviklingen af kræft.

47

http://www.netdoktor.dk/fakta/straaling_fra_radioaktive_stoffer.htm

48

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 282

49

Davidson, J. N. og Waldo E. Cohn. Progress in nucleic acid research and molecular biology. Academic Press.

50

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Biokemi_og_molekyl%C3%A6rbiologi/Biokemi/nukleaser

51

Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. S. 87 Figur 14: Figuren illustrerer påvirkningen af ioniserende stråling på DNA, således at en thymin-dimer opstår. Derudover viser figuren også hvorledes denne dimer repareres.

Side 16

16

Hvis en mutation forårsager ændringer i en celles reparationsmekanismer, vil cellen miste evnen til at reparere de DNA-skader der opstår, som f.eks. en thymin-dimer. Dette øger naturligvis risikoen for flere DNA-skader ved yderligere bestråling, og dermed øges følsomheden. Risikoen for at cellen bryder de andre barrierer øges ligeledes også [52]. En muteret celle skal igennem alle otte barrierer, for at kunne blive til en kræftcelle. En beskrivelse af de otte barrierer kan findes i bilag 2.

Ioniserende stråling kan altså være skadelig for cellerne hvis de medfører mutationer i de biologiske mekanismer, såsom apoptose, og dermed forårsage uhæmmet celledeling. Hvis der sker en uhæmmet celledeling, altså multiplikation af skadede celler, kaldes det en somatisk mutation, og cellerne vil kunne blive til kræftceller. Er der tale om mutationer i kønscellerne, gametiske mutationer, vil resultatet af mutationerne kunne ses hos efterkommerne, der kan blive født med

arvelige sygdomme^{53}.

Med hensyn til den biologiske effekt ved de forskellige strålingstyper, findes der en måde at beregne den på, kaldes dosisbegrebet.

Dosisbegrebet

Ved atomkræftværksulykker kan man definere den dosis stråling der sendes ud, som den energimængde der afsættes pr. kilogram væv. Hvis 150 Joule blev absorberet ved bestråling af et menneske på 50 kg tæt ved Tjernobyl, vil man kunne beregne dosis, D, således:

𝐷 = = = 3,0 = 3,0 𝐺𝑦

𝐸 150 𝐽 𝐽 𝑚 50 𝑘𝑔 𝑘𝑔

Dosis angives med enheden J/kg, som også kaldes Gray (Gy)^{54}.

Ved Tjernobyl-ulykken og andre atomkraftværksulykker øges chancen for at kroppen udsættes for ioniserende stråling. Ved undersøgelse af denne stråling tages højde for de forskellige strålers biologiske virkning, og det er derfor vigtigt at skelne mellem hvilken strålingstype der er tale om.

Dosisbegrebet dosisækvivalent, der har symbolet H og SI-enheden J/kg, der dog i denne

52

Foghsgaard, Hulgaard, Clemmensen m.fl. Bogen om kræft. S. 16

53

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 295

54

Christensen, Brian Krog. MEDICINSK FYSIK – om stråling og kræft. S. 39

Side 17

17 sammenhæng kaldes Sivert (Sv) [55], bruges i denne forbindelse til at skelnet mellem de forskellige strålingstyper.

𝐻 = 𝑄 ∗ 𝐷, D angiver den afsatte energi i vævet, og Q er strålingstypens kvalitetsfaktor med
enheden Sivert over Gray, eller Sv/Gy^{56}.

Hvis en person har absorberet en dosis i hele kroppen på 0,2 Gy, fra γ-stråling, kan man beregne vedkommendes ækvivalente dosis således:

𝐻 = 𝑄 ∗ 𝐷 = 1_{𝐺𝑦}^{𝑆𝑣} ∗ 0,2 𝐺𝑦 = 0,2 𝑆𝑣

Der bliver ganget med 1, da γ-stråling, som det ses på figur 15, har en kvalitetsfaktor på 1. Med

indblik i γ-strålers kvalitetsfaktor kan det konkluderes, at D = H.

Den ækvivalente dosis er dermed den samme som den faktuelle målte dosis, når vi taler γ-stråling.

Måden man kan måle dosis på, kan være ved brug af et Geiger-Müller rør (GM-rør). Røret er opfundet af de to tyske fysiker Hans Geiger () og Walther Müller (). GM-røret er tilsluttet en tæller, som tæller det antal gange ioniserende stråling har ramt røret og skabt et spændingsfald i røret. Kun en brøkdel af strålerne der udsendes fra kilden rammer GM-røret.

Antallet af stråler afhænger bl.a. af afstanden mellem den radioaktive kilde og GM-røret [57].

Når en stråle med intensiteten I

0

, hvilket er tællehastigheden mellem kilde og GM-rør uden noget imellem sig, passerer gennem et materiale med tykkelsen x, vil strålingen svækkes. Intensiteten, I, vil aftage eksponentielt med materialets tykkelse x:

𝐼 ( 𝑥) = 𝐼_{0} ∗ 𝑒, hvor µ er absorptionskoefficienten og afhænger af strålingens energi og

−µ ∗ 𝑥

                           58
materialet strålingen absorberes i .

Til beregning af absorption af f.eks. γ-stråling i en person, bruges personens masse, m (med SI-enheden kg), og den absorberede energi, E, som nævnt ved dosis ovenfor.

abs

55

Harting, Claussen Both. Spektrum fysik II. S. 267

56

Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. S. 182

57

http://www.maskinmesterskolens-boghandel.dk/grib_fysikken/Radioaktiv_straalingsintensitet_version2_pdf

58

Harting, Claussen Both. Spektrum fysik II. S. 27

Figur 15: α-, β^{—} og γ-strålers kvalitetsfaktor.

Side 18

18

For at finde den absorberede energi skal man bruge intensiteten af strålingen og det tidsrum absorptionen foregår i (Δt):

𝐸_{𝑎𝑏𝑠} = 𝐼 ∗ 𝛥𝑡 = ( 𝐼_{0} ∗ 𝑒) ∗ 𝛥𝑡

−µ ∗ 𝑥

Samlet er dosis for γ-stråling givet ved formlen:

𝐻 = 𝐷 = = =

𝐸_{𝑎𝑏𝑠} 𝐼 ∗ 𝛥𝑡 ( 𝐼_{0} ∗ 𝑒) ∗ 𝛥𝑡

𝑚 𝑚 𝑚

−µ ∗ 𝑥

Et forsøg med en γ-strålingskilde, et GM-rør, noget kød (der symboliserer et menneske) og måleudstyr kan opstilles for at beregne den ækvivalente dosis, men er ikke udført.

Forsøg med bestrålede frø

I det følgende beskrives et forsøg der viser effekten af stigende strålingsdoser på planter.

Derudover ved brug af resultater for flere plantearter vises hvorledes strålingen virker mere skadelig på nogle plantearter i forhold til andre.

Den ioniserende strålings skadende virkning på dyr og mennesker beskrevet ovenfor virker på samme måde hos planter og frø. Forsøget udføres med udgangspunkt i frø fra gule sennep, raps og byg. Frøene er bestrålet med γ-stråling med en strålingsdosis på henholdsvis 0, 100, 200, 400,

800 og 1600 Gy.

De tre forskellige plantefrø sås i hver deres kasse, med et tydeligt skel mellem rækkerne af de forskellige doser (se bilag 1). Frøene placeres så der er omkring 1 cm mellem hvert frø, mens rækkeafstanden er minimum 3 cm. Til slut dækkes frøene med 0,5-1 cm jord eller grus. De fugtes med vand og placeres ved stuetemperatur i vindueskarmen, så mest muligt lys er tilgængeligt.

Efter en uge bør frøene have spiret, og man kan begynde at iagttage dem [59].

Ved første forsøg var der intet resultatet af de bestrålede frø, altså gul sennep, raps og byg pga.

frøenes manglende spiring og at de gik i forrådnelse. Årsager til dette kunne være at:

59

Vejledning til ”Bestrålede frø

Side 19

19

- Frøene var blevet for gamle og ikke kunne spire.

- Tiden frøene lå efter bestrålingen, lagringstiden, havde betydning for væksthæmningen, da den øges ved

                60
stigende lagringstid .

- Mængden af vandindholdet og temperaturen ikke var optimal.

- Jorden som blev brugt var ”Så- og

         61
kaktusjord” , der kunne være en kritisk faktor med væsentlig betydning for forsøget.

Jorden, der var købt hos en blomsterhandler, havde synlig svampevækst få dage efter den blev taget i brug, hvorfor dette blev anset som årsagen.

Derfor blev forsøget gentaget med nyt jord, nemlig ”blomstermuld”.

For at kunne udelukke at frøene måske var for gamle, blev der ligeledes brugt nyere bygfrø der blev bestrålet med γ-stråling på henholdsvis 0, 5, 10, 25, 50 og 100 kilorad. Herefter kunne en spiring ses, som vist på figur 16.

Strålingsdosis kan omregnes fra kilorad til

Gray, da1 kilorad er lig med 10 Gy^{62}. 5 kilorad, 10 kilorad, […] omregnes derfor til 50 Gy, 100 Gy,

[…]. Det interval bygfrøene har modtaget dosen på er uden betydning, da frøene ikke er i celledeling når de bestråles, men først når de plantes [63].

Ved at bruge planternes højde, blev sammenhængen mellem de forskellige strålingsdoser, og deres vækst (målt i procent) beregnet. Gennemsnitshøjden for planterne i forhold til deres strålingsdosis beregnes ved:

𝐺𝑒𝑛𝑛𝑒𝑚𝑠𝑛𝑖𝑡𝑠ℎø𝑗𝑑𝑒 = ∗ 100%

ℎø𝑗𝑑𝑒 𝑖 𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑑𝑜𝑠𝑖𝑠 𝑁 ℎø𝑗𝑑𝑒 𝑖 𝑢𝑏𝑒𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑒𝑡

60

Vejledning til ”Bestrålede frø

61

Se bilag 1

62

Vejledning til ”Bestrålede frø

63

Sørensen, Anette Helbo. Plantebiologi. S. 23

Figur 16: Viser bygplanternes vækst fra den højeste til laveste bestrålingsdosis.

Side 20

20

Strålingsdosis i kilorad, og i parentes i Gy

0 5 (50) 10 (100) 25 (250) 50 (500) 100 (1000)

Gennemsnitshøjde (%)

100 90 61 5 4 2

Søjlediagrammet i figur 17 viser middelvæksthøjderne for byg ved forsøgets afslutning. Resultatet viser, at konsekvensen for de bestrålede bygfrø afhænger af strålingsdosen. Frøene reagerer lidt forskelligt, men i stigende grad ved de lave strålingsdoser (0, 50 og 100 Gy). Derimod er der ingen betydelig forskel ved de højere strålingsdoser (250, 500 og 1000 Gy) og alle frøene har svært ved at vokse.

Den dødelige dosis for bygfrø kan konkluderes til at ligge et sted mellem 100 Gy og 250 Gy.

Årsagen til at bygfrøene spirede, selvom frøene var bestrålede med helt op til 1000 Gy er formentlig på grund af cellernes strækningsvækst. Når cellerne bestråles med en så høj en dosis vil de miste evnen til celledeling. Planten vil dog alligevel spire lidt uden at gå i gang med en egentlig vækst, og derfor dø efter denne spiring [64].

64

Vejledning til ”Bestrålede frø

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 Gy 50 Gy 100 Gy 250 Gy 500 Gy 1000 Gy

Figur 17: Middelvæksthøjder ved forsøgets afslutning.

Side 21

21 γ-strålingens påvirkning på DNA’et har været en ændring i eller beskadigelse af de gener der bl.a.

stod for væksten eller havde stor betydning for væksten. F.eks. kunne planternes respirationsevne eller deres evne til at optage næringssalte fra jorden være blevet påvirket.

Kromosomantallets betydning

Med resultaterne fra forsøget og udgangspunkt i de udleverede grafer, samt indsigt i de forskellige frøs kromosomtal, kan betydningen af størrelsen og antal af de forskellige frøs kromosomer ved stråling belyses nærmere.

De tre nedenstående figurer er taget fra det udleverede bilag.

Graf 3 viser den endelige middelvæksthøjde for kanariegræs og hvede.

De to diagrammer i graf 3 sammenlignes med resultaterne fra forsøget med de bestrålede bygfrø som ses i figur 17.

Der er tydelige forskelle på effekten af strålingen for de tre sorter. En årsag kunne være at de forskellige kornsorter havde modtaget en forskellig ækvivalent dosis.

Da der er brugt γ-stråling i forsøgene, som har en kvalitetsfaktor på 1, vil dosen (50 Gy, 100 Gy osv.) svare til den samme i Sivert [65].

For at beregne den biologiske effekt vælges først en dosis, og i dette eksempel er den biologiske effekt på bygfrøene beregnet ved 50 Gy:

65

Se side 18 for mere info om baggrunden for denne beregning.

Figur 18: Middelvæksthøjder observeret over en periode for hvede

Figur 19: Middelvæksthøjder observeret over en periode for kanariegræs

Figur 20: Middelvæksthøjder for kanariegræs og hvede ved forsøgenes afslutning.

Side 22

22

𝐻 = 𝑄 ∗ 𝐷 = 1 ∗ 50 𝐺𝑦 = 50 𝑆𝑣

𝑆𝑣

𝐺𝑦

Da man ikke kan skelne mellem frøene, vil den biologiske effekt, som strålingen påvirker frøene med, være den samme for alle tre typer frø. Dosis faktor kan dermed ikke være årsagen til den forskellige effekt, men kromosomantallet kan være en faktor, som spiller en vigtig rolle.

Ved nærmere analyse af Graf 1 ses, at hveden ikke tager skade af en stråling på 50 Gy, da dens vækst igennem alle 15 dage er nogenlunde den samme som de ubestrålede hvedefrøs vækst.

Gennemsnitshøjden på hveden falder dog med ca. 65 % når hvedefrøene bestråles med 100 Gy.

𝐺𝑒𝑛𝑛𝑒𝑚𝑠𝑛𝑖𝑡𝑠ℎø𝑗𝑑𝑒 = ∗ 100

ℎø𝑗𝑑𝑒 𝑖 𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑑𝑜𝑠𝑖𝑠 50 − ℎø𝑗𝑑𝑒 𝑖 𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑑𝑜𝑠𝑖𝑠 100

ℎø𝑗𝑑𝑒 𝑖 𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑑𝑜𝑠𝑖𝑠 50

= ∗ 100% = 𝟔𝟒. 𝟕𝟎𝟓𝟗

17𝑐𝑚 − 6𝑐𝑚

17𝑐𝑚

I graf 2 ses det hvordan kanariegræs med forskellig stråledosis påvirkes. Allerede efter fem dage kan man se at frøene med en stråledosis på 50 Gy ikke vokser optimalt. Efter 15 dage ses en

forskel på omkring 1/5 mellem frøene med 0 Gy og med 50 Gy.

𝐺𝑒𝑛𝑛𝑒𝑚𝑠𝑛𝑖𝑡𝑠ℎø𝑗𝑑𝑒 = ∗ 100

ℎø𝑗𝑑𝑒 𝑖 𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑑𝑜𝑠𝑖𝑠 0 − ℎø𝑗𝑑𝑒 𝑖 𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑑𝑜𝑠𝑖𝑠 50

ℎø𝑗𝑑𝑒 𝑖 𝑢𝑏𝑒𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑒𝑡

= ∗ 100% = 𝟐𝟏. 𝟒𝟐𝟖𝟔

14𝑐𝑚 − 11𝑐𝑚

14𝑐𝑚

Denne forskel mellem hvede og kanariegræs kan som beregnet foroven ikke skyldes stråledosen, men kan måske skyldes forskellen på kromosomantallet. Kromosomtallet for hvede og kanariegræs ligger på henholdsvis 42 [66] og 12 [67], og byg har 14 kromosomer [68].

Her er det også vigtigt at nævne, at hvede er Hvede er exaploid, dvs. at det indeholder seks kopier af

                                  69
hvert af dets syv forskellige kromosomer.

Byg og kanariegræs er begge diploide og har to kopier af hvert af deres forskellige kromosomer.

66

Vejledning til ”Bestrålede frø

67

http://www.caryologia.unifi.it/past_volumes/55_2/Caryologia_55_2_151-160.pdf

68

Vejledning til ”Bestrålede frø

69

Korn / gener i: http://www.bionyt.dk/ejabon/106FM_ART01.asp

Side 23

23

Som det ses af resultaterne, er byg og kanariegræs yderst følsom overfor bestråling i forhold til hvede. Disse to sorter har begge få, men store kromosomer. Sandsynligheden for at strålingen rammer deres DNA og skader dem, øges derfor ligeledes. Grunden til dette kan f.eks. være frame-shift mutationer. Det kan tænkes, at store kromosomer har flere exons end små kromosomer. Hvis en plante med store kromosomer får en frame-shift mutation, vil mange af koderne for forskellige gener ødelægges, da en længere DNA sekvens påvirkes, og dermed også flere exons. Dette bekræftes også af graf 3, hvor kanariegræs hurtigt påvirkes af strålingen og der sker et fald i

middelvæksthøjden på cirka en 1/5for frøene udsat for 50 Gy. Selv en lav strålingsdosis vil, med

den høje følsomhed for stråling, kunne ses på plantevæksten, da de normale funktioner i kanariegræs hurtigt ændres eller stopper med at virke Man kan ud fra graf 3 sige at den dødelige strålingsdosis for kanariegræs er omkring 200 Gy, dog er den svær at vurdere, da plantevæksten falder gradvist.

Er kromosomerne mindre, vil en mutation kun påvirke koderne for få gener og ikke nødvendigvis have lige så stor effekt.

Ligeledes vil alvorligheden af mutationer i de enkelte kromosomer hos planter medflere kromosomer være mindre.

Med andre ord vil en plante med mange kromosomer have flere kopier af hvert gen, og en skadelig mutation i én kopi har derfor ikke særlig stor konsekvens.

Graf 3 viser at hvedefrø bestrålet med 50 Gy ikke lider skade, men derimod bliver højere end frøene der ikke er bestrålet, og måske har fået optimeret på nogle gener. Dog påvirker 100 Gy hvedefrøene så meget, at man kan sige at hvedens dødelige strålingsdosis formentlig ligger mellem 100 Gy og 200 Gy. Grunden til det store tab, er måske at de mindre kromosomer hurtigt falder fra, hvis de har for mange mutationer. På den anden side vil de større kromosomer nok kunne klare flere mutationer før det ikke virker længere.

Nogle af de mutationer i frøene, som strålingen er skyld i, vil ikke kunne observeres, da de vil være recessive. Mutationerne vil på denne måde være skjulte, og kan kun fremkaldes ved at selvbestøve planterne. Hvis vi antog at genotypen AA og aa svarede til et hhv. ikke-muteret og et muteret homozygot allel, mens Aa svarede til et recessivt muteret heterozygot, vil en

Side 24

24 selvbestøvning resultere i fire mulige genotyper:

𝐴𝑎 + 𝐴𝑎 → 1 ∗ ∶ 2 ∗ 𝐴𝑎 ∶ 1 ∗ 𝑎𝑎

Det er altså ikke alle mutationer der bliver nedarvet til afkommet. Desuden skal disse mutationer ske i de celler der er i kimknoppen før de kan nedarves. Dette skyldes at det er cellerne fra kimknoppen der senere hen bidrager til dannelsen af den voksne plantes frø. I dette forsøg er der ikke lagt op til en selvbestøvning af de voksede planter, og derfor ligges vægten på de mutationer i frøet, der har indflydelse på plantens vækst.

Planteforsøg og virkeligheden for mennesker

Bygfrø og plantefrø er mindre følsomme overfor stråling end dyr og mennesker. Dette kan bl.a.

skyldes plantecellernes stærke cellevægge der skærmer for strålingen. Forsøget med bygfrø viste hvorledes frø der bestråles med 50 Gy (svarende til en ækvivalent dosis på 50 Sv, da frøene blev bestrålet med γ-stråling) uden større problemer kan vokse. På mennesker er stråling meget farligere, hvilket kan ses i nedenstående tabel der viser de forskellige dosers skadepåvirkning [70].

Eksempler på skadelige doser og deres effekt

Dosis (H) | Skadesvirkning
10 Sv | Øjeblikkelig dræbende.

4 Sv 50 % dør inden for 30 dage.

2 Sv Er sjælden dødelig, men kan forårsage strålingssyge.

0.25 Sv | Har ingen umiddelbar virkning.

20 mSv max. årlige dosis for en arbejder i den atomare industri.

2.5 mSv Årlig normaldosis for en dansker.

Udsættes et menneske udelukkende for lidt under 2 Sv, dvs. under den dødbringende dosis af

70

http://www.akraft.dk/radioakt.htm

Side 25

25 ioniserende stråling, kan nogle af de biologiske virkninger være en kortere levealder og en øget

            71
risiko for kræft .

Forskellen på celler fra dyr og bygfrøene er også deres celledeling. Tiden bygfrøene har modtaget dosen på, er som sagt uden betydning, da frøene ikke er deling, men det er den ikke for mennesker og dyr, som altid vokser [72]. Men hensyn til mennesker og den dosis stråling de har været udsat for ved atomkraftværksulykker som f.eks. Tjernobyl, bør det bemærkes, at der er en forskel på om det er en lav dosis over længere tid, dvs. at dosishastigheden er lav, eller om det er en høj dosis i løbet af en kortere periode, altså en høj dosishastighed. Man har gennem dyreforsøg vist, at en strålingsdosis på 6 Sv med en høj dosishastighed, altså at dyrene i løbet af en kort periode har modtaget 6 Sv, medfører en dødelighed på 50 % hvis dyrene observeres i 60 dage.

Man kan med andre ord sige, at LD50/ 60 er 6 Sv. Hvis dosishastigheden er lav, dvs. omkring 0,35
Sv/døgn, er LD 50/ 60 fundet til at ligge på 21 Sv. Det betyder at halvdelen af dyrebestanden vil dø,

hvis de bestråles med 21 Sv i løbet af 60 dage [73]. Det ses altså at hvis dyr udsættes for en høj mængde stråling i løbet af kort tid, vil de lide større skade end hvis de modtog den samme mængde stråling i løbet af længere tid.

71

http://www.akraft.dk/radioakt.htm

72

Sørensen, Anette Helbo. Plantebiologi. S. 23

73

Schultz-Larsen, J., m.fl. Ioniserende strålings virkning på den menneskelige organisme. S. 13

Side 26

26

Konklusion

Et atomkraftværksuheld som Tjernobyl har alvorlige konsekvenser på det omkringliggende miljø, heriblandt planter og i særdeleshed også dyr og mennesker. Det skyldes strålingen som udsendes ved sådanne uheld. DNA er følsom overfor den ioniserende stråling som kan trænge ind i kroppens celler. Hvis strålingen kommer i kontakt med levende organismer, vil den kunne skade DNA’et, så risikoen for mutationer øges, og dermed ligeledes risikoen for kræft.

Den strålings dosis mennesker skal modtage, for at deres cellers DNA beskadiges så det får konsekvenser, ligger langt under hvad der er vurderet ud fra planteforsøget med bestrålede bygfrø. Om bygfrøene bliver bestrålet med en høj eller lav dosishastighed er underordnet, da cellerne i bygfrø ikke deler sig før de plantes. Det samme kan ikke siges om mennesker, og derfor kan planteforsøget ikke bruges til direkte at drage konklusioner om ioniserende strålers effekt på mennesker. Dog kan man bruge planteforsøgene og de andre nævnte forsøg med bakterier og dyr til at undersøge og lære om strålingens effekt.

At blive udsat for ioniserende strålingen kan afslutningsvis siges at være utrolig farlig og have store konsekvenser for helbredet. Det bør derfor sikres at fremtidige atomkraftværksuheld kan undgås, så især befolkningen omkring værkerne ikke udsættes for betydelige doser.

Underskrift:

Side 27

27

Litteraturliste

Bøger

- Bidstrup, Bodil Blem, m.fl. Biologi i fokus. Århus C: Nucleus, 2010

- Bidstrup, Bodil Blem, m.fl. Bioteknologi 1. Århus C: Nucleus, 2011

- Christensen, Brian Krog. MEDICINSK FYSIK – om stråling og kræft. Aalborg: Budolfi Tryk Aps, 2005

- Foghsgaard, Hulgaard, Clemmensen m.fl. Bogen om kræft. Svendborg: Litotryk, 2001

- Gyldenholm, A. O. MED LIVET I HÆNDERNE. Århus C: Nucleus, 1985

- Harting, Claussen Both. Spektrum fysik II. København: Gyldendal, 2007.

- Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. København: Nyt Teknisk Forlag, 2012

- Jørgensen, Ove. KRÆFT OG BIOLOGI. Sneslev: Resting Hansen, 1983.

- Nielsen, Hulgaard, Clemmensen m.fl. Kort om kræft. Svendborg: Litotryk, 2002

- Rank, Jette og Henrik Blicher Pedersen. KRÆFT – biologi og kemiske miljøfaktorer. Århus C: Nucleus, 1981

- Schultz-Larsen, J., m.fl. Ioniserende strålings virkning på den menneskelige organisme. København: SIS, 1984

- Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. Knebel: KATS, 2008

- Sørensen, Anette Helbo. Plantebiologi. Odense SØ: Erhvervsskolernes Forlag, 2013

- Sørensen, Annette B. Genetik – grundbog. Århus C: Systime, 2002

- Thorling, E. B. Kræft, biologi og forskning. København: Nordisk Forlag, 1977

E-bøger

Davidson, J. N. og Waldo E. Cohn. Progress in nucleic acid research and molecular biology. Academic Press.

Link

Hjemmesider

Dato:

- Vejledning til ”Bestrålede frø”, Frederiksen, Risø:

http://www.frederiksen.eu/uploads/tx_tcshop/media/779120_AA.pdf
- Emne korn / gener i: http://www.bionyt.dk/ejabon/106FM_ART01.asp

Dato:

- Severinsen, Morten. Strålingsintensitet. Supplerende stof til lærebogen ”Grib fysikken”, 2. udgave, 2012:

http://www.maskinmesterskolens-
boghandel.dk/grib_fysikken/Radioaktiv_straalingsintensitet_version2_pdf

- Den Store Danske:

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/mutation

Side 28

28

Dato:

- Ferreira Vicor, m.fl. http://www.caryologia.unifi.it/past_volumes/55_2/Caryologia_55_2_151-160.pdf
- Henriksen, Thormod. Stråling og Helse. http://www.mn.uio.no/fysikk/tjenester/kunnskap/straling/#k12.5

Dato:

- Netdoktor: http://www.netdoktor.dk/fakta/straaling_fra_radioaktive_stoffer.htm

Dato:

- Den Store Danske:

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/translokation
- Akraft: http://www.akraft.dk/radioakt.htm

- Department of Biochemistry – University of Oxford:

http://www.bioch.ox.ac.uk/aspsite/index.asp?pageid=892

Dato:

- Kirk, Isa Kristina. Immunologisk Bioinformatik:

http://www.biotechacademy.dk/Undervisningsprojekter/Gymnasiale-projekter/Bioinfo

- Redigeret af Lauritzen, B. m.fl. International kernekraftstatus 2002. Risø:

http://www.akraft.dk/risoe2002.pdf
- Biotech Academy: http://www.biotechacademy.dk/Undervisningsprojekter/Gymnasiale-
projekter/genteknologi/teori/4genteknologisketools/screening-og-selektion

Dato:

- Den store danske:

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/mutation

- Den Store Danske:

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Biokemi_og_molekyl%C3%A6rbiologi/Biokemi/nuk

leaser

Billedkilder

- Forside billede: http://www.gettyimages.ca/detail/photo/plant-mitosis-anaphase-onion-root-tip-high-
res-stock-photography/9
- Figur 1: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_chemical_structure.svg
- Figur 2: http://www.fhi.no/tema/gener-og-genetikk/fakta-om-gener-og-dna
- Figur 3: http://philschatz.com/biology-concepts-book/contents/m45480.html

Side 29

29

- Figur 4:

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/mutation

- Figur 5:

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/mutation

- Figur 6:

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/mutation

- Figur 7:

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Genetik_og_evolution/Genetik/mutation

- Figur 8:

http://www.si.mahidol.ac.th/th/department/Biochemistry/webboard/dept_wbdetail.asp?wq_id=582
- Figur 9: http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/illustrations/isochromosomes
- Figur 10: http://en.wikipedia.org/wiki/Ames_test

- Figur 11: Jensen, Per Hedemann, m.fl. Helsefysik. København: Nyt Teknisk Forlag, 2012 - s. 45

- Figur 12: http://www.windows2universe.org/earth/Life/cell_radiation_damage.html
- Figur 13: http://www.mn.uio.no/fysikk/tjenester/kunnskap/straling/#k12.5

- Figur 14: Skadhede, Thomas, Kirsten Selchau og Kirsten Abildgaard. Biologiens FG – Genetik. Knebel:

KATS, 2008 – s. 87

- Figur 15: Christensen, Brian Krog. MEDICINSK FYSIK – om stråling og kræft. Aalborg: Budolfi Tryk Aps,

2005 – s. 71

- Figur 16: hjemmeforsøg – bestrålede frø.

- Figur 17: databehandling – excel.

- Figur 18: udleveret bilag

- Figur 19: udleveret bilag

- Figur 20: udleveret bilag

Side 30

30

Bilag 1:

Side 31

31

Bilag 2: (taget fra: http://www.saert.mathiasjakobsen.dk/8barrierer d. )

Det ses på billedet foroven hvorledes flere mutationer i en celle kan resultere i en fuldmoden kræftcelle. Dog skal cellen som vist igennem otte barrierer, der skal ske otte mutationer i cellen.

1. Barriere

Som vist på ovenstående billede, sker der en mutation i et gen der gør at cellen mister sin evne til at reparere DNA-skader. Hvis dette sker, vil cellen begå selvmord, ellers øges sandsynligheden for at andre af cellens gener rammes af mutationer.

2. Barriere

Når en celle muterer i et gen kaldet proto-onkogen, vil cellen have mulighed for at kunne skabe sig eget vækstsignal, og dermed kunne dele sig ukontrolleret. Dog betragtes dette vækstsignal normalt som et utidigt signal, der derfor bremses af tumorsuppressorer, som er et særligt protein.

3. Barriere

Genet der koder for tumorsuppressor-proteinet kan også mutere. Sker dette, vil cellen kunne dele sig, da mutationen ødelægger proteinets funktion, eller forhindrer at det bliver dannet. De celler der dermed opstår som følge af celledeling, har både en mutation i genet der koder for tumorsuppressor-proteinet, proto-onkogenet og i DNA-reparationsgenet.

Side 32

32

4. Barriere

Med så mange DNA-skader, vil den begyndende kræftcelle hurtigt ty til selvmord. Det gør den da den har et gen der registrerer og reagere på mutationer, således at cellen tyr til apoptose. Hvis en begyndende kræftcelle skal forbi denne barriere, kræver det endnu en mutation, men denne gang i det gen der gør at cellerne reagerer på de mange DNA-skader, således at den ikke virker mere.

5. Barriere

Selv når celler kan dele sig uhæmmet, vil der være en barriere. Den 5. barriere er at immunforsvaret vil opfatte disse celler som værende fremmede, da de indeholder så mange mutationer. Den eneste mulighed for at kræftcellerne kan videreudvikle sig, er at de får en mutation, der gør at cellerne accepteres af kroppens immunsystem og ikke angribes.

6. Barriere

Uden næring kan ingen celler overleve, heller ikke de spirende kræftceller. Når en kræftcelle har brudt 5.

barriere har den ikke evnen til at danne blodkar, angiogenese. Der er behov for en mutation yderligere, for at den begyndende kræftcelle ikke udsultes. Med de mange kræftceller, vil der kun være én af disse, der får en mutation, så den danner angiogenese. Sker dette vil cellen have brudt 6. barriere, og vil derfor overleve og dele sig yderligere.

7. Barriere

Når celler deler sig, slides en smule af deres kromosomers ender, telomererne. Dette gør at en celle på et tidspunkt stopper med at dele sig og automatisk dør ud. Der kan dog forekomme mutationer i telomerase-genet, så cellens vækst ikke begrænses. Denne næsten fuldmodne kræftcelle kan nu ikke begrænses i dens vækst. Til gengæld kan den 8. barriere stoppe den.

8. Barriere

Kræftcellerne der har brudt 7. barriere har ikke evnen til at gnave sig ud af kræftsvulsten, og derfor vil denne barriere sørge for at kræftcellerne ikke spreder sig. Evnen til at gnave sig ud skal disse kræftceller tilegne sig, hvis de vil bryde den 8. barriere. Efter dette vil de fuldmodne kræftceller ikke have nogen naturlige barrierer der standser deres vækst.

( Kilde: Foghsgaard, Hulgaard, Clemmensen m.fl. Bogen om kræft. Svendborg: Litotryk, 2001 )