La biología nos ilustra como al igual que nosotros, cada célula que forma nuestro cuerpo puede crecer, reproducirse y procesar una asombrosa variedad de reacciones químicas, definiendo estas habilidades como los fundamentos para la vida. Ahora bien revisaremos la composición y estructura celular y las propiedades que distinguen nuestra condición humana. Entendiendo por qué somos tan vulnerables a exposición a radiaciones ionizantes.

La composición del cuerpo humano está basada en los átomos, dado que la radiación interacciona a escala atómica. Así  la composición atómica del cuerpo determina el carácter y el grado de la interacción de la radiación mientras que la composición molecular  y tisular define la naturaleza de las lesiones que la radiación produce. Los datos principales que debemos saber sobre la composición del cuerpo humano, es que el mismo está constituido 85% por hidrogeno y oxígeno.

Tejidos y órganos: durante el desarrollo y la maduración de un ser humano a partir de dos células germinales unidas aparecen numerosos tipos celulares diferentes. Los conjuntos de células con estructura y función similares forman los tejidos. En la tabla 2. Se ilustra desglosadamente la composición del cuerpo desde el punto de vista de sus componentes ísticos.

Estos tejidos, a su vez, se unen entre si de una forma precisa para configurar los órganos. Los tejidos y órganos del cuerpo actúan como unidades diferenciadas dotadas de responsabilidades funcionales específicas. Algunos  de ellos se combinan para formar una organización global integrada que recibe el nombre de sistema orgánico.

Los principales sistemas orgánicos del cuerpo son el nervioso, el digestivo, el endocrino y el reproductor.

                                                  Tejido                                      Abundancia

                                                   Musculo                                        43,9%

                                                   Grasas                                           14%

                                                  Órganos                                         12%

                                                  Esqueleto                                       10%

                                                  Sangre                                           7,7%

                                                  Medula ósea                                  4,2%

                                                 Tejido subcutáneo                          5,8%

                                                 Piel                                                 2,9%          

Los efectos de radiación que aparecen a escala global son resultantes de las lesiones inducidas sobre estos sistemas orgánicos, que a su vez resultan de los daños por radiación a que se someten las células de los mismos.

Las células de un sistema hístico se identifican según su tasa de proliferación y su estadio de desarrollo. Así, las células inmaduras reciben el nombre de indiferenciadas, precursoras o células madre. Conforme van madurando, mediante los procesos de crecimiento y proliferación, pueden atravesar por diversas fases de diferenciación hasta convertirse en células maduras y plenamente funcionales.

La sensibilidad de la célula a la radiación está determinada hasta cierto punto por su estado de madurez  y su cometido funcional. En términos generales, puede decirse que las células inmaduras son más sensibles a la radiación que las maduras. Se muestra una lista de diferentes tipos de células que pueden clasificarse en función de sus características estructurales o funcionales. Estas características influyen en el grado de radiosensibilidad del tejido.

                          Radiosensibilidad                             Tipo Celular

                         Alta                                                      linfocitos

                                                                                      Espermatogonios           

                                                                                      Eritroblastos

                                                                                      Células de las criptas intestinales

                        Intermedia                                            Células endoteliales

                                                                                      Osteoblastos

                                                                                      Espermatides

                                                                                      Fibroblastos

                        Baja                                                       Células musculares

                                                                                      Células Nerviosas

Los tejidos y órganos del cuerpo contienen tantas células madre como células maduras. Según sus propiedades estructurales y funcionales cabe distinguir varios tipos de tejidos. Estas propiedades influyen en el grado hístico de radiosensibilidad.                                                      

El epitelio es el tejido que recubre todas las superficies expuestas del cuerpo, ya sean interiores o exteriores: la piel, los vasos sanguíneos, las cavidades abdominales y torácicas y el tracto gastrointestinal.

Los tejidos conectivos y  de soporte son ricos en proteínas y están compuestos principalmente por fibras que suelen poseer un alto grado de elasticidad. El tejido conectivo sirve para mantener unidos los órganos y tejidos. Algunos ejemplos del tejido conectivo son los huesos y los cartílagos.

El musculo es una clase especial de tejido que es capaz de contraerse. Está presente en todo el cuerpo y también posee un contenido proteínico elevado. Por su parte, el tejido nervioso, también denominado conductor, consta de células especializadas llamadas neuronas, que tienen prolongaciones largas y finas desde la célula hasta porciones distantes del cuerpo. El tejido nervioso forma la red a través de la cual se transmiten los impulsos eléctricos por todo el cuerpo con fines de respuesta y control.

Cuando se combinan, todos estos tejidos que forman los órganos, se clasifican en dos grandes categorías según sus constituyentes: el parénquima, que contiene tejidos representativos de órganos concretos, y el estroma, compuesto por tejido conectivo y vasculatura que conforma la estructura orgánica.

Al considerar los efectos precoces de la exposición a radiación en dosis altas, son las lesiones orgánicas  

Las que en último término producen efectos observables. Los diversos órganos del cuerpo muestran una amplia gama de sensibilidad frente a la radiación. En términos generales, la radiosensibilidad viene determinada por: 1) la función del órgano en el cuerpo, 2) la velocidad a la que maduran las células del órgano y 3) la radiosensibilidad inherente del tipo de célula.

No es necesario un conocimiento exacto de las radiosensibilidades de los órganos; no obstante, resulta muy útil tener una idea de los niveles generales de radiosensibilidad tabla2. Para comprender los efectos de la exposición de radiación en todo el cuerpo, particularmente del síndrome de radiación aguda.

Cuando se irradian los componentes macromoleculares fundamentales, se necesita una dosis de aproximadamente 1 Mrad (10 kGy) para producir un cambio mensurable en alguna de las características físicas de la molécula. Cuando tal molécula se incluye en el aparato de una célula viva, solo se necesitan, en cambio, unos pocos rad para inducir una respuesta biológica mensurable. La dosis necesaria para producir letalidad en algunos organismos unicelulares, como las bacterias, se mide en Kilorad, mientras que las células humanas pueden ser destruidas con dosis inferiores a 100 rad (1 Gy).

Se han realizado múltiples experimentos destinados a demostrar que el núcleo de la célula es mucho más sensible a los efectos de la radiación que el citoplasma. Estos experimentos se han efectuado con microhaces de electrones de gran precisión que se enfocan y dirigen sobre una parte determinada de la célula o, alternativamente, mediante la incorporación de los isotopos radiactivos ³H y ¹⁴C a las moléculas celulares que se localizan exclusivamente en el citoplasma o en el núcleo.

Las interacciones de las radiaciones ionizantes pueden traducirse en alteraciones en la bioquímica celular, cadenas de hidratos de carbono, cambios estructurales en las proteínas, modificaciones en la actividad enzimática, que a su vez repercuten en alteraciones de la membrana celular, las mitocondrias y los demás orgánulos de la célula. Pero en donde más estudios se han realizado, es en las acciones de la radiación sobre los elementos del núcleo celular, sobre el ADN.

Tipo de lesiones radioinducidas

• Lesión letal: Es irreversible e irreparable, que conduce necesariamente a la muerte de la célula.
• Lesión subletal: En circunstancias normales puede ser reparada en las horas siguientes a la irradiación, salvo que la inducción de nuevas lesiones subletales por sucesivas fracciones de la dosis determine letalidad.
• Lesión potencialmente letal: Es una lesión particular que está influida por las condiciones ambientales del tejido irradiado durante y después de la irradiación.

El número de lesiones inducidas por radiación es mucho mayor que el que ocasionalmente provoca la muerte de las células. La dosis letal media (D0) es la dosis de radiación que origina aproximadamente una lesión letal por célula y que destruirá al 63% de éstas, siendo aún viables el 37% restante. El valor de dosis letal media en células epiteliales humanas bien oxigenadas es de aproximadamente 3 Gy. El número de lesiones que se detectan en el ADN inmediatamente después de irradiar a una dosis "D0" ha sido estimado en:

• Daño de bases: > 1000.
• Roturas simples de cadena: Alrededor de 1000.
• Roturas dobles de cadena: Alrededor de 40.

Irradiación de Moléculas

Los resultados de la irradiación de macromoléculas difieren de los de irradiación de agua. Cuando las macromoleculas reciben radiación in vitro, es decir, fuera del cuerpo o de la célula, se requiere una dosis de radiación mayor para producir un efecto mensurable que en el caso de la irradiación in vivo. Ello demuestra que las moléculas son mucho más radiosensibles en su estado natural. Cuando se irradian las macromoleculas en solución in vitro, se producen los tres siguientes grandes efectos: 1) escisión de la cadena principal, 2) entrecruzamiento y 3) lesiones puntuales.

La escisión de la cadena principal es la rotura de la estructura troncal de la macromolecula de cadena larga. Como resultado, una única molécula de gran longitud se transforma en muchas moléculas de menor tamaño, cada una de las cuales sigue siendo una macromolecula en esencia. La escisión de la cadena principal reduce no solo el tamaño de la macromolecula, sino también la viscosidad de la solución. Las soluciones viscosas son espesas y de fluir lento, como el jarabe de arce frio. La medida de la viscosidad se utiliza para determinar el grado de escisión de la cadena principal.

Entrecruzamiento: algunas macromoléculas poseen moléculas pequeñas a modo de espolones que se ramifican a partir de la cadena principal. En otras, estos espolones aparecen como consecuencia de la radiación. Después de la irradiación de la macromolecula, estas estructuras laterales pueden comportarse como si en un extremo dispusieran de una sustancia pegajosa, y se unen a la macromolecula vecina o a otro segmento de la misma molécula. Este proceso se denomina entrecruzamiento. El entrecruzamiento molecular inducido por radiación eleva la viscosidad de la solución macromolecular.

Lesiones puntuales

La interacción de la radiación con las macromoléculas puede producir la ruptura de enlaces químicos simples, que producen así lesiones puntuales en las moléculas. Estas lesiones puntuales no pueden detectarse mediante técnicas analíticas, aunque provocan modificaciones pequeñas en la molécula que pudieran traducirse en un mal funcionamiento de la célula. Con dosis bajas de radiación se considera que las lesiones puntuales dan lugar a los efectos diferidos de la radiación que se observan en todo el cuerpo.

Los experimentos de laboratorio han demostrado que todos estos efectos de los tipos de radiación en las macromoléculas son reversibles gracias a los procedimientos de reparación y recuperación intracelular.

Síntesis macromolecular:

La biología molecular moderna ha desarrollado un esquema general sobre la función de una célula humana normal. Los nutrientes moleculares son transportados a la célula y se difunden a través de la membrana celular, donde se rompen (catabolizan) en unidades moleculares más pequeñas con la consiguiente liberación de energía. Esta energía se consume de varias formas, siendo una de las principales la construcción, o síntesis, de macromoléculas a partir de moléculas menores (anabolismo). La síntesis de proteínas y ácidos nucleicos  es de importancia primordial para la supervivencia y la reproducción de las células.

Mas adelante se describe esquematicamente el procedimiento de sintesis de las proteinas y su dependencia de los acidos nucleicos. Las proteinas se fabrican por traduccion del codigo genetico a partir del ARN_t, que a su vez se transfiere al ARN_m. la informacion acarreada por el ARN_m es, por su parte, transcrita a partir del ADN.

Los daños por radiación en cualquiera de estas macromoleculas pueden producir la muerte celular o, tambien, ciertos diferidos. Las proteinas que se producen de forma abundante estan siendo continuamente sintetizadas a traves del ciclo celular. Ademas, en la celula siempre estan presentes copias multiples de moleculas de proteinas especificas, por lo que las proteinas son menos sensibles a la radiación que los acidos nucleicos.

Análogamente, en la célula existen copias múltiples de los dos tipos de moléculas de ARN, aunque esas no sean tan abundantes como las moléculas de proteínas. Por otra parte, la molécula de ADN, con su singular ensamblaje de bases, no es tan abundante. Así que el ADN es la más radiosensible de todas estas macromoléculas.

El ADN se sintetiza de forma un tanto diferente que las proteínas. Durante la etapa G₁ de la interfase, en el núcleo se acumulan desoxirribosa, fosfato y moléculas básicas. Estas moléculas se combinan entre sí para formar una mayor que, durante la etapa S de la interfase, se une a una cadena simple de ADN existente. Figura 3. Durante G₁, el ADN molecular está presente en su típica forma de doble hélice. Conforme la célula avanza hacia la fase S, la escalera empieza a abrirse por la mitad de cada peldaño, como si fuera una cremallera. En este momento, el ADN pasa a contener una única cadena, sin que existan pares de bases. Este estado no se prolonga durante mucho tiempo, ya que la molécula combinada de base-azúcar-fosfato se enlaza con una hebra solitaria de secuencia de ADN, siempre conforme a las percepciones de combinación  de los pares de bases. De esta forma, donde había una molécula de ADN en doble hélice existen ahora dos moléculas semejantes, cada una de las cuales es un duplicado del original. En G₂ existe, así, doble cantidad de ADN que en G₁. Se dice entonces que el ADN se ha replicado para formar dos moléculas hijas de ADN duplicadas.

El ácido desoxirribonucleico ges la molécula más importante del cuerpo humano, ya que contiene la información genética de cada célula. En los núcleos celulares existe ADN que forma complejos con otras moléculas para construir los cromosomas. Estos controlan el crecimiento y el desarrollo de la célula, que determina, a su vez, las características de cada persona.

Si el daño inducido en el ADN tiene la gravedad suficiente, es posible detectar aberraciones cromosómicas visibles. Se ofrece una representación de un cromosoma normal, junto con varios tipos distintos de aberraciones cromosómicas. Las aberraciones cromosómicas inducidas por la radiación, o daño cito genético, se estudian con más detalle más adelante.

La molécula de ADN puede sufrir daños sin que se produzca una aberración cromosómica visible. Aunque estos daños son reversibles, en ciertos casos desembocan en la muerte celular.

Si existe un número suficiente de células de un mismo tipo que responden de igual forma puede llegar a destruirse un tejido o un órgano completo.

Los daños en el ADN también pueden producir una actividad metabólica anormal. La rápida proliferación incontrolada de células es la principal característica de las neoplasias malignas inducidas por radiación. Si el daño en el ADN tiene lugar en una célula germinal, es posible que la respuesta a la radiación no se observe hasta la generación siguiente, o incluso más tarde.

El cromosoma contiene miles de moléculas de ADN, y, por tanto, cuando se aprecia una aberración visible es indicio de que se ha producido un daño importante. Los problemas no observados en el ADN también pueden provocar respuestas en la célula o incluso en todo el cuerpo. Los tipos de daño que pueden aparecer en la molécula de ADN   se clasifican en las siguientes categorías, previamente comentadas para las macromoléculas:

1. Escisión de la cadena principal con un solo lado dañado.
2. Escisión de la cadena principal con los dos lados dañados.
3. Escisión de la cadena principal y entrecruzamiento subsiguiente.
4. Rotura de los travesaños y separación de las bases.
5. Cambio o perdida de una base.

Aunque todos estos efectos producen un cambio estructural en la molécula de ADN, no por ello dejan de ser reversibles. En algunos de ellos puede alterarse la secuencia de bases y, por tanto, el código del triplete de codones pudiera no mantenerse intacto.

El quinto tipo de lesión, el cambio o pérdida de una base, destruye también el código del triplete y puede no ser reversible. Este tipo se califica de lesión molecular del ADN e induce mutaciones genéticas.

Estas lesiones moleculares se denominan mutaciones puntuales y su importancia en la célula puede ser determinante o secundaria. Una consecuencia irreparable, de las mutaciones puntuales es la transferencia de código genético incorrecto a una de las dos células hijas.

En suma, por causa de la irradiación de ADN cabe distinguir tres clases de efectos observables: 1) muerte celular, 2) neoplasia maligna y 3) lesión genética. Los dos últimos efectos a escala molecular son característicos de relaciones dosis- respuesta lineal sin umbral, donde se espera respuesta del tejido o la célula para cualquier dosis de radiación.   

Radiólisis del Agua: como el cuerpo humano es una solución acuosa que contiene aproximadamente un 80% de moléculas de agua, la irradiación del agua es la principal interacción entre  la radiación y el cuerpo. Cuando se irradia el agua, esta se disocia para formar otros productos moleculares. Esta acción de disociación se denomina genéricamente Radiólisis.

Cuando se irradia un átomo de agua (H₂O), este se ioniza y se disocia en dos iones (un par iónico), tal como muestra la siguiente ecuación:

H₂O  +               HOH⁺   +  e^-

Tras esta ionización inicial pueden producirse varias reacciones. Por un lado, el par iónico puede volverse a unir para formar otra molécula de agua estable. En tal caso, no se produce ningún daño. Pero también es posible que estos iones no se enlacen de nuevo,  lo que permitiría que el ion negativo se uniera a otra molécula de agua y diera lugar a la siguiente reacción:

H₂O  +  e^-          HOH^-

Los iones  HOH⁺ y HOH^- son relativamente inestables y pueden disociarse para formar moléculas más pequeñas, según las siguientes reacciones:

HOH⁺           H⁺  + OH^-

HOH^-               OH^-  +  H^- 

El resultado final de la radiólisis del agua es la formación de un par iónico, H⁺ y OH^-, y de dos radicales libres, H^- y OH^-. Estos iones pueden recombinarse y evitarse así todo daño biológico. Tales tipos de iones no son inusuales. Muchas moléculas en solución acuosa existen en un estado débilmente ionizado debido a su estructura intrínseca. Así, las sales se disocian con facilidad en iones Na⁺ y Cl^-. Incluso en ausencia de radiación es posible que el agua se disocie en iones H⁺ y OH^-.

Los radicales libres son otra historia. Un radical libre es una molécula sin carga que contiene un electrón único no emparejado en la capa más exterior, o de valencia. Ello hace de los radicales libres sustancias altamente reactivas, por tanto inestables, que existen durante un intervalo de tiempo menor a 1 milisegundo. Durante este tiempo, sin embargo, son capaces de difundirse por la célula y de interaccionar en un punto distante. Como poseen un exceso de energía, los radicales libres pueden transferirse a otras moléculas y romper enlaces, provocando lesiones puntuales en puntos alejados del lugar donde se produjo la ionización inicial.

Las moléculas H^- + OH^- no son los únicos radicales libres que se crean durante la radiólisis del agua. El radical libre OH^- puede unirse a moléculas similares y formar peróxido de hidrogeno, de acuerdo con la ecuación siguiente:

  OH^- + OH^-      H₂ O₂

El peróxido de hidrogeno es nocivo para las células y actúa, por tanto, como agente toxico.

El radical libre H⁺ puede interaccionar con el oxígeno molecular, si está presente, para formar el radical hidroxilo:

H^- + O₂        HO^-₂

El radical hidroperóxilo, junto con el peróxido de hidrógeno, se considera el principal producto nocivo que se forma en la radiólisis del agua. También puede formarse peróxido de hidrogeno por interacción de dos radicales hidroperóxilo:

H^- + O₂           H₂O

El radical hidroperoxilo, junto con el peróxido de hidrogeno, se considera el principal producto nocivo que se forma en la radiólisis del agua. También puede formarse peróxido de hidrogeno por interacción de dos radicales hidroperoxilo:

HO^-₂  +  HO^-₂             H₂O₂ + O₂

Algunas moléculas orgánicas, simbolizadas genéticamente como RH, pueden convertirse en radicales libres de alta reactividad a través de la reacción siguiente:

 RH  +            RH^-          H^- + R^-

Cuando existe oxigeno aún es posible que aparezca un tipo más de radical libre:

R^- + O₂        RO^-₂