19.10: Efectos Biológicos de la Radiación

Todos los nucleidos radiactivos emiten partículas de alta energía u ondas electromagnéticas. Cuando esta radiación encuentra células vivas, puede causar calentamiento, romper enlaces químicos o ionizar moléculas. El daño biológico más grave resulta cuando estas emisiones radiactivas fragmentan o ionizan moléculas. Por ejemplo, las partículas α y β emitidas por las reacciones de desintegración nuclear poseen energías mucho más altas que las energías de enlace químicas ordinarias. Cuando estas partículas golpean y penetran la materia, producen iones y fragmentos moleculares que son extremadamente reactivos. El daño que esto hace a las biomoléculas en los organismos vivos puede causar graves anomalías en los procesos celulares normales, poniendo a prueba los mecanismos de reparación del organismo y posiblemente causando enfermedades o incluso la muerte.

Hay una gran diferencia en la magnitud de los efectos biológicos de la radiación no ionizante (por ejemplo, la luz y las microondas) y la radiación ionizante, emisiones lo suficientemente energéticas como para extraer electrones de moléculas (por ejemplo, partículas α y β, rayos γ, rayos X y radiación ultravioleta de alta energía).

La energía absorbida por la radiación no ionizante acelera el movimiento de átomos y moléculas, lo que equivale a calentar la muestra. Aunque los sistemas biológicos son sensibles al calor, es necesaria una gran cantidad de radiación no ionizante antes de alcanzar niveles peligrosos. Sin embargo, la radiación ionizante puede causar daños mucho más graves al romper enlaces o eliminar electrones en moléculas biológicas, alterando su estructura y función. El daño también puede realizarse indirectamente, mediante la ionización del H₂O, que forma un ion H₂O⁺ que reacciona con el agua, formando un ion hidronio y un radical hidroxilo.

Debido a que el radical hidroxilo tiene un electrón no apareado, es altamente reactivo. Este radical hidroxilo puede reaccionar con todo tipo de moléculas biológicas (ADN, proteínas, enzimas, etc.), causando daño a las moléculas y perturbando los procesos fisiológicos.

La energía suministrada por cada tipo de radiación a los tejidos es diferente y se mide en términos de dosis absorbida, cuya unidad SI es el gray. La deposición de un joule de energía en un kilogramo de material corresponde a un gray. La unidad CGS, que es el rad, también se utiliza ampliamente (1 rad = 0,01 Gy).

La respuesta biológica a la dosis absorbida de cada tipo de radiación se describe mediante un factor de ponderación de la radiación, que depende de la potencia ionizante y de la capacidad de penetración. La dosis absorbida multiplicada por el factor de ponderación de radiación se conoce como dosis equivalente, que se mide en sievert en unidades SI. La unidad CGS, que es el rem, también es aún ampliamente utilizada (1 rem = 0,01 Sv).

Tabla 1. Factores de ponderación de la radiación.

Los diferentes tejidos corporales tienen diferentes sensibilidades a la radiación ionizante. Si la exposición se concentra en una zona del cuerpo o la dosis equivalente no es uniforme en todo el cuerpo, se utilizan factores de ponderación de tejidos para determinar el daño general al cuerpo dada la dosis desigual. La dosis efectiva para el cuerpo se calcula sumando las dosis equivalentes ponderadas para todos los órganos.

Se utilizan varios dispositivos diferentes para detectar y medir la radiación, incluidos los contadores Geiger–Müller (GM), los contadores de centelleo y los dosímetros de radiación. Un contador Geiger–Müller tiene dos partes: Un tubo cilíndrico lleno de un gas inerte como argón o helio y un contador. Dentro del tubo hay un par de electrodos con un alto voltaje a través de ellos. Cualquier radiación ionizante inicia una cascada de ionizaciones de moléculas de gas, creando una corriente entre el ánodo y cátodo debido al flujo de electrones, que se recoge, amplifica y es mostrada por el contador como recuentos por minuto o desintegraciones por segundo. Los contadores GM no pueden diferenciar entre tipos de radiación, pero las variantes compensadas por energía pueden medir la dosis y, por lo tanto, pueden utilizarse como dosímetros personales. Un contador de centelleo contiene un centellador, un material que emite luz cuando se excita por radiación ionizante, y un sensor que convierte la luz en una señal eléctrica. Los dosímetros de radiación también miden la radiación ionizante y a menudo se utilizan para determinar la exposición personal a la radiación. Los tipos más utilizados son los dosímetros personales electrónicos, el distintivo de película, los dosímetros termoluminiscentes y los dosímetros de fibra de cuarzo.

Los efectos de la radiación dependen del tipo, la energía y la ubicación de la fuente de radiación, así como de la duración de la exposición. La persona promedio está expuesta a radiación de fondo, incluyendo rayos cósmicos del sol y radón del uranio en el suelo, radiación por exposición médica, incluyendo exploraciones de TAC, pruebas de radioisótopos, rayos X, etc. y pequeñas cantidades de radiación de otras actividades humanas, tales como vuelos en avión (que son bombardeados por un mayor número de rayos cósmicos en la atmósfera superior), radiactividad de productos de consumo, y una variedad de radionucleidos que entran en nuestro cuerpo cuando respiramos (por ejemplo, carbono-14) o a través de la cadena alimenticia (por ejemplo, potasio-40, estroncio-90, y yodo-131).

Una dosis repentina a corto plazo de una gran cantidad de radiación puede causar una amplia gama de efectos en la salud, desde cambios en la química sanguínea hasta la muerte. La exposición a corto plazo a decenas de rems de radiación probablemente causará síntomas o enfermedades muy notables; se estima que una dosis aguda de 500 rems o 5 Sv tiene una probabilidad del 50% de causar la muerte de la víctima dentro de los 30 días posteriores a la exposición. La exposición a emisiones radiactivas tiene un efecto acumulativo en el cuerpo durante la vida de una persona, que es otra razón por la que es importante evitar cualquier exposición innecesaria a la radiación.

Este texto está adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 21,6: Efectos biológicos de la radiación.

La radiación nuclear, tanto de partículas como electromagnética, se cuantifica en términos de actividad y se mide mediante detectores de radiación. Sin embargo, los efectos biológicos de la exposición a la radiación dependen no solo de la actividad sino también del poder ionizante, la capacidad de penetración, el tiempo de exposición y el área expuesta. Cada tipo de radiación penetra en la materia en diferente medida.

Las partículas alfa tienen la menor capacidad de penetración, ya que son relativamente masivas. La mayoría son detenidas por la capa externa de piel. Sin embargo, cuando penetran la piel, entran en contacto directo con los tejidos internos y son muy dañinas.

La radiación de partículas cargadas, como la radiación alfa, ioniza directamente las biomoléculas dentro de las células, mientras que los neutrones, los rayos gamma y los rayos X afectan los procesos celulares indirectamente. Por ejemplo, la radiación gamma ioniza el agua en los tejidos vivos para producir un radical hidroxilo, que ioniza aún más las biomoléculas y daña las células. El daño es mayor si se inducen muchas ionizaciones en un área pequeña.

La energía suministrada por la radiación al material se mide como la dosis absorbida"cuya unidad SI es el gris. La deposición de un julio de energía por kilogramo de material corresponde a un gris. Los tiempos de exposición más largos resultan en una mayor deposición de energía, lo que resulta en una dosis más alta.

La misma dosis absorbida de diferentes tipos de radiación puede causar diferentes cantidades de daño biológico debido a la variación en los poderes de ionización y penetración. Al considerar el daño biológico, la dosis absorbida se multiplica por un factor de ponderación de la radiación para determinar la dosis equivalente"Su unidad SI es el sievert. Los tejidos corporales tienen distintas sensibilidades a la radiación ionizante, representadas en términos de factores de ponderación tisular.

Cuando la dosis equivalente es mayor en un área, las dosis se ajustan por los factores de ponderación del tejido y se suman para determinar la dosis efectiva"para el cuerpo en general. Determinar con precisión la dosis efectiva requiere elegir un detector de radiación apropiado, ya que los detectores varían en cuanto a si miden la dosis o la actividad, los tipos de radiación que detectan y si pueden diferenciar esos tipos de radiación. Un contador Geiger-Müller es el dispositivo más comúnmente conocido que se utiliza para medir la actividad de la radiación alfa, beta, gamma y los rayos X.Puede modificarse para responder proporcionalmente a la energía de la radiación, lo que le permite medir la dosis de rayos X y rayos gamma.