Teoria dei traccianti radioattivi 1 I traccianti radioattivi Introduzione Lo studio dellorganismo umano fu iniziato dai grandi anatomici del rinascimento,

Teoria dei traccianti radioattiviTeoria dei traccianti radioattivi 11

I traccianti radioattiviI traccianti radioattivi

IntroduzioneIntroduzione

Lo studio dell’organismo umano fu iniziato dai grandi anatomici del rinascimento, in seguito ai progressi della fisica con l’indagine microscopica fu possibile elaborare la teoria cellulare. Successivamente si cercò di conoscere la struttura intima della materia vivente attraverso tecniche e metodologie proprie delle fisica e chimica. Il primo successo fu la scoperta dello zucchero nel sangue e fegato e quindi del glicogene e della funzione glicogenica dell’epatocita.Crebbe così la chimica biologica che ebbe grande influenza sulla fisiologia, infatti la patologia inizialmente strettamente di tipo morfologico si orientò a contenuti sempre più funzionali per addivenire a ciò che ora si definisce fisiopatologia.

22 Teoria dei traccianti radioattiviTeoria dei traccianti radioattivi

I traccianti radioattiviI traccianti radioattivi

L’indagine chimica e la conoscenza della composizione di un organismo L’indagine chimica e la conoscenza della composizione di un organismo vivente dicevano ben poco sulla dinamica dei processi biologici. vivente dicevano ben poco sulla dinamica dei processi biologici. Nell’osservazione di un organismo vivente si nota la presenza di certi Nell’osservazione di un organismo vivente si nota la presenza di certi contenuti chimici a strutture costanti che è il risultato di uno contenuti chimici a strutture costanti che è il risultato di uno stato di stato di equilibrioequilibrio dovuto a processi di sintesi e scissione per cui non è possibile dovuto a processi di sintesi e scissione per cui non è possibile distinguere fra le sostanze introdotte da quelle simili sintetizzate o distinguere fra le sostanze introdotte da quelle simili sintetizzate o accumulate e studiarne il destino.accumulate e studiarne il destino.

Questo compito poteva essere realizzato solo con l’uso di sostanze riconoscibili Questo compito poteva essere realizzato solo con l’uso di sostanze riconoscibili dalle altre ed aventi la stessa struttura chimica e purché queste sostanze dalle altre ed aventi la stessa struttura chimica e purché queste sostanze portatrici di questo segnale di riconoscimento non alterasse i comportamenti portatrici di questo segnale di riconoscimento non alterasse i comportamenti chimici e biologici.chimici e biologici.

Gli Gli isotopi radioattiviisotopi radioattivi e le molecole a strutture biologiche marcate con questi e le molecole a strutture biologiche marcate con questi rispondono al requisito di essere riconoscibili e di non alterare il rispondono al requisito di essere riconoscibili e di non alterare il comportamento biologico e quindi si è potuto studiare la comportamento biologico e quindi si è potuto studiare la dinamica della dinamica della materia vivente. materia vivente.


Cenni storici sui traccianti radioattiviCenni storici sui traccianti radioattivi

Alla fine dell’ottocento i coniugi Curie nell’analizzare la pechblenda, Alla fine dell’ottocento i coniugi Curie nell’analizzare la pechblenda, uno dei principali minerali dell’uranio, notarono che possedeva una uno dei principali minerali dell’uranio, notarono che possedeva una attività maggiore di quella che avrebbe dovuto avere sulla base attività maggiore di quella che avrebbe dovuto avere sulla base dell’uranio contenuto. Ciò indicava la presenza di composti di dell’uranio contenuto. Ciò indicava la presenza di composti di elementi (o elemento) più radioattivi dell’uranio. Attraverso metodi elementi (o elemento) più radioattivi dell’uranio. Attraverso metodi chimici individuarono due di tali elementi: il Radio e il Polonio.chimici individuarono due di tali elementi: il Radio e il Polonio.

Nel 1912 George Von Hevesy dopo inutili tentativi di isolare il Nel 1912 George Von Hevesy dopo inutili tentativi di isolare il Piombo, estratto dalla pechblenda, da un elemento identificato Piombo, estratto dalla pechblenda, da un elemento identificato come Radio D ebbe la idea brillante di utilizzare il radio D come come Radio D ebbe la idea brillante di utilizzare il radio D come indicatore del piombo. indicatore del piombo.

Nasce così il concetto di tracciante. Nasce così il concetto di tracciante. Ora noi sappiamo che il radio D Ora noi sappiamo che il radio D è un isotopo radioattivo del piombo e precisamente il Pbè un isotopo radioattivo del piombo e precisamente il Pb210 . 210 .

Studiando queste sostanze Soddy arrivò alla conclusione che non Studiando queste sostanze Soddy arrivò alla conclusione che non erano separabili perché si trattava dello stesso elemento chimico, erano separabili perché si trattava dello stesso elemento chimico, proponendo il termine isotopo per questi elementi che possedevano proponendo il termine isotopo per questi elementi che possedevano lo stesso numero atomico, occupavano lo stesso posto nella tavola lo stesso numero atomico, occupavano lo stesso posto nella tavola periodica ma differivano per la massa atomica.periodica ma differivano per la massa atomica.


Prime applicazioni dei tracciantiPrime applicazioni dei traccianti

Nel 1924 Von Hevesy espose l’idea di usare gli isotopi radioattivi come Nel 1924 Von Hevesy espose l’idea di usare gli isotopi radioattivi come indicatori degli elementi di sistemi chimici e biologici. Inizialmente furono indicatori degli elementi di sistemi chimici e biologici. Inizialmente furono fatti studi sulla circolazione del piombo e del bismuto in organismi viventi.fatti studi sulla circolazione del piombo e del bismuto in organismi viventi.

La più importante conseguenza nell’uso dei traccianti fu la scoperta dello La più importante conseguenza nell’uso dei traccianti fu la scoperta dello stato dinamicostato dinamico dei costituenti gli organismi viventi. dei costituenti gli organismi viventi.

L’impiego dei traccianti consentì di evidenziare come il complesso dei L’impiego dei traccianti consentì di evidenziare come il complesso dei costituenti degli organismi viventi sia da considerare come un delicato costituenti degli organismi viventi sia da considerare come un delicato sistema in continuo rinnovamento nel quale, tuttavia, i rapporti tra i diversi sistema in continuo rinnovamento nel quale, tuttavia, i rapporti tra i diversi componenti sono costanti nell’individuo sano.componenti sono costanti nell’individuo sano.

Nella lezione che tenne nel 1944, in occasione del conferimento del premio Nella lezione che tenne nel 1944, in occasione del conferimento del premio Nobel, Von Hevesy affermò: “ Nobel, Von Hevesy affermò: “ l’impiego degli isotopi radioattivi apre nuove l’impiego degli isotopi radioattivi apre nuove linee di approccio, non solo alla soluzione di problemi già noti, ma potrà linee di approccio, non solo alla soluzione di problemi già noti, ma potrà dirigere la nostra attenzione a nuove idee non prese in considerazione fino dirigere la nostra attenzione a nuove idee non prese in considerazione fino ad ora. L’uso di indicatori radioattivi apre l’unica via possibile per ad ora. L’uso di indicatori radioattivi apre l’unica via possibile per determinare la velocità, il luogo e la sequenza della formazione della determinare la velocità, il luogo e la sequenza della formazione della maggior parte dei costituenti molecolari degli organismi viventi. L’esistenza maggior parte dei costituenti molecolari degli organismi viventi. L’esistenza di questi metodi è strumentale nell’aprire nuove vie di pensiero per di questi metodi è strumentale nell’aprire nuove vie di pensiero per dimostrare la dinamicità dei processi metabolici …..”dimostrare la dinamicità dei processi metabolici …..”


Traccianti radioattiviTraccianti radioattivi

Si definisce “Si definisce “TraccianteTracciante” un elemento o sostanza che introdotta in un ” un elemento o sostanza che introdotta in un sistema chimico o biologico, si mescola rapidamente ed uniformemente sistema chimico o biologico, si mescola rapidamente ed uniformemente con i costituenti di questo e, pur essendo sempre identificabile e con i costituenti di questo e, pur essendo sempre identificabile e differenziabile da essi, ne riproduca fedelmente il comportamento, senza differenziabile da essi, ne riproduca fedelmente il comportamento, senza influenzarlo.influenzarlo.

Quindi il tracciante deve possedere i seguenti requisiti:Quindi il tracciante deve possedere i seguenti requisiti:

1.1. Equivalenza dal punto di vista chimico e biologico agli elementi dei Equivalenza dal punto di vista chimico e biologico agli elementi dei sistemi che con essi si studiano;sistemi che con essi si studiano;

2.2. Assenza di effetti sul comportamento dei sistemi in studio;Assenza di effetti sul comportamento dei sistemi in studio;

3.3. Possibilità di identificazione e misura tra gli altri elementi del sistema.Possibilità di identificazione e misura tra gli altri elementi del sistema.

Esempi di traccianti radioattivi sono l’Esempi di traccianti radioattivi sono l’acqua triziataacqua triziata e lo e lo I131 I131



Definiamo “Definiamo “IndicatoreIndicatore” un elemento o sostanza che abbia la proprietà di ” un elemento o sostanza che abbia la proprietà di assumere in una struttura biologica anatomicamente e, in genere, assumere in una struttura biologica anatomicamente e, in genere, spazialmente definita, una spazialmente definita, una concentrazione significativamente diversaconcentrazione significativamente diversa da da quella che esso assume nelle strutture ad esso contigue, e di poter essere quella che esso assume nelle strutture ad esso contigue, e di poter essere in esse identificato.in esse identificato.

Tali sostanze sono, in genere, del tutto estranee al sistema che si vuole Tali sostanze sono, in genere, del tutto estranee al sistema che si vuole esplorare e non ha interesse l’effetto da esse introdotto.esplorare e non ha interesse l’effetto da esse introdotto.

Esempi di indicatore sono molecole organiche, quali ad esempio : Esempi di indicatore sono molecole organiche, quali ad esempio : diiodiofluorescina—cervello; solfocolloidale---fegato; diiodiofluorescina—cervello; solfocolloidale---fegato;

MDP---osso; DMSA—rene. MDP---osso; DMSA—rene.

Vi sono inoltre dei traccianti che fungono da indicatori un esempio è dato dallo Vi sono inoltre dei traccianti che fungono da indicatori un esempio è dato dallo Iodio radioattivo ( funge da tracciante del ricambio iodico e si concentra Iodio radioattivo ( funge da tracciante del ricambio iodico e si concentra nella tiroide).nella tiroide).



Gli Indicatori possono a loro volta essere suddivisi in Gli Indicatori possono a loro volta essere suddivisi in Indicatori PositiviIndicatori Positivi e in e in Indicatori NegativiIndicatori Negativi questa questa differenziazione è associata alla caratteristica di differenziazione è associata alla caratteristica di raggiungere concentrazioni maggiori o minori in un raggiungere concentrazioni maggiori o minori in un determinato organo o tessuto in studio rispetto alle zone determinato organo o tessuto in studio rispetto alle zone circostanti.circostanti.

Es. di indicatore positivoEs. di indicatore positivo: : GaGa6767citratocitrato per i tumori per i tumori polmonari; polmonari; DTPA DTPA per il per il cervello;Polifosfati e cervello;Polifosfati e DifosfonatiDifosfonati marcati con Tc marcati con Tc99m99m..

Es. di indicatore negativoEs. di indicatore negativo: : DMSADMSA per il rene; per il rene; SolfocolloidaleSolfocolloidale per il fegato e i generale per il fegato e i generale colloidi colloidi marcati con Tcmarcati con Tc99m99m per lo studio del fegato. per lo studio del fegato.



Avendo gli indicatori scopi essenzialmente Avendo gli indicatori scopi essenzialmente descrittivi e qualitativi, non è in genere necessaria descrittivi e qualitativi, non è in genere necessaria alcuna elaborazione analitica dei risultati ottenuti. alcuna elaborazione analitica dei risultati ottenuti.

Nell’impiego dei traccianti, il cui scopo è quello di Nell’impiego dei traccianti, il cui scopo è quello di fornire informazioni quantitative sulla dinamica dei fornire informazioni quantitative sulla dinamica dei processi biologici, per ottenere le informazioni processi biologici, per ottenere le informazioni volute è necessaria una elaborazione analitica dei volute è necessaria una elaborazione analitica dei risultati risultati

L’insieme delle metodologie analitiche che dal L’insieme delle metodologie analitiche che dal risultato sperimentale consentono di risalire alle risultato sperimentale consentono di risalire alle caratteristiche quantitative dei processi allo studio caratteristiche quantitative dei processi allo studio costituiscono lacostituiscono la Teoria dei tracciantiTeoria dei traccianti. .



Caratteristiche dei tracciantiCaratteristiche dei traccianti

Traccianti omogeneiTraccianti omogenei sono quelli di specie chimica o biologica identica ai sono quelli di specie chimica o biologica identica ai costituenti del sistema.costituenti del sistema.

Esempi: IEsempi: I131131e Nae Na2424 per i rispettivi isotopi naturali; i fosfolipidi marcati con P per i rispettivi isotopi naturali; i fosfolipidi marcati con P3232; i ; i globuli rossi marcati con Feglobuli rossi marcati con Fe5959. .

Tuttavia non sempre è possibile disporre di condizioni ideali perché ad esempio Tuttavia non sempre è possibile disporre di condizioni ideali perché ad esempio certi radioisotopi hanno emivite troppo lunghe o troppo brevi (Clcerti radioisotopi hanno emivite troppo lunghe o troppo brevi (Cl3636e Cle Cl3838), ), oppure si presentano condizioni per cui certe sostanze risultano di difficile oppure si presentano condizioni per cui certe sostanze risultano di difficile marcatura, in questi casi si ricorre aimarcatura, in questi casi si ricorre ai Traccianti Eterogenei.Traccianti Eterogenei.

Esempi :isotopi radioattivi appartenenti allo stesso gruppo delle tavola di Esempi :isotopi radioattivi appartenenti allo stesso gruppo delle tavola di Mendelejev (RbMendelejev (Rb8686 come tracciante del K), molecole identiche ai costituenti come tracciante del K), molecole identiche ai costituenti del sistema in cui sia stata applicata una sostituzione con un radioisotopo di del sistema in cui sia stata applicata una sostituzione con un radioisotopo di un elemento etereogeneo.un elemento etereogeneo.



I dati ottenuti con I dati ottenuti con traccianti eterogeneitraccianti eterogenei non possono essere non possono essere considerati come misure assolute dei fenomeni da questi considerati come misure assolute dei fenomeni da questi studiati. In genere si può ammettere un rapporto di studiati. In genere si può ammettere un rapporto di proporzionalità fra il valore trovato e quello reale e ciò ne proporzionalità fra il valore trovato e quello reale e ciò ne giustifica l’impiego quando non occorre conoscere il valore giustifica l’impiego quando non occorre conoscere il valore assoluto ma confrontarne il comportamento in diverse assoluto ma confrontarne il comportamento in diverse condizioni.condizioni.

Infine i traccianti eterogenei possono andare incontro ad Infine i traccianti eterogenei possono andare incontro ad un un destino metabolicodestino metabolico diverso dai componenti del sistema diverso dai componenti del sistema biologico che si vuole studiare.biologico che si vuole studiare.



Un tracciante è definito Un tracciante è definito Permanente Permanente quando il quando il radioisotopo si lega alla struttura in esame in radioisotopo si lega alla struttura in esame in maniera indissolubile ( il maniera indissolubile ( il radio ferroradio ferro entra nella entra nella molecola dell’emoglobina del globulo rosso fino molecola dell’emoglobina del globulo rosso fino alla morte del globulo rosso stesso).alla morte del globulo rosso stesso).

Invece il Invece il radiocromoradiocromo (usato per seguire la vita (usato per seguire la vita dei globuli rossi) abbandona il globulo rosso con dei globuli rossi) abbandona il globulo rosso con un ritmo dell’1% al giorno e pertanto viene un ritmo dell’1% al giorno e pertanto viene definito definito Tracciante TemporaneoTracciante Temporaneo..



Effetto isotopicoEffetto isotopico

L’identità di comportamento chimico fra diversi isotopi va L’identità di comportamento chimico fra diversi isotopi va intesa a rigore in senso qualitativo . In realtà vi sono intesa a rigore in senso qualitativo . In realtà vi sono diversi gradi di stabilità dei legami molecolari, diversi gradi di stabilità dei legami molecolari, causa le causa le differenze di pesodifferenze di peso fra i diversi isotopi, che conducono a fra i diversi isotopi, che conducono a velocità di reazione diversevelocità di reazione diverse ( almeno per quelle che ( almeno per quelle che implicano rotture di legami).implicano rotture di legami).

Questo effetto, definito Questo effetto, definito Effetto isotopicoEffetto isotopico, è maggiore per gli , è maggiore per gli

isotopi con basso numero atomico e tende a diminuire isotopi con basso numero atomico e tende a diminuire con il suo aumentare.con il suo aumentare.

In realtà l’effetto isotopico è In realtà l’effetto isotopico è piccolo negli esperimenti piccolo negli esperimenti biologicibiologici, mentre diventa molto , mentre diventa molto importante nei processi di importante nei processi di purificazionepurificazione di alcuni radioisotopi. di alcuni radioisotopi.



Effetto radianteEffetto radiante

Le Le radiazioni inducono modificazioniradiazioni inducono modificazioni nella materia attraversata nella materia attraversata

( ionizzazione, rottura di legami molecolari ), l’entità di tali ( ionizzazione, rottura di legami molecolari ), l’entità di tali modificazioni varia con le dosi somministrate che dipendono dal tipo modificazioni varia con le dosi somministrate che dipendono dal tipo di radiazione la sua energia e le caratteristiche di emivita fisica e di radiazione la sua energia e le caratteristiche di emivita fisica e biologica.biologica.

Quindi quando si esegue un esperimento con tracciante radioattivoQuindi quando si esegue un esperimento con tracciante radioattivo

è necessario stimare la dose assorbibile al fine di assicurarsi che il è necessario stimare la dose assorbibile al fine di assicurarsi che il sistema biologico non si modifichi.sistema biologico non si modifichi.

Con l’introduzione dei Con l’introduzione dei nuovi traccianti radioattivinuovi traccianti radioattivi negli studi diagnostici negli studi diagnostici di medicina nucleare questo effetto appare molto contenuto.di medicina nucleare questo effetto appare molto contenuto.



Effetto ponderaleEffetto ponderale

PerPer Effetto ponderale Effetto ponderale si intende l’eventuale induzione di modificazioni si intende l’eventuale induzione di modificazioni nell’equilibrio del sistema in conseguenza della variazione quantitativa nell’equilibrio del sistema in conseguenza della variazione quantitativa dovuta alla introduzione in esso di un tracciante in quantità dovuta alla introduzione in esso di un tracciante in quantità ponderalmente non trascurabile.ponderalmente non trascurabile.

Una delle prerogative più interessanti delle tecniche con traccianti Una delle prerogative più interessanti delle tecniche con traccianti radioattivi consiste nella possibilità di indagare il comportamento dei radioattivi consiste nella possibilità di indagare il comportamento dei sistemi biologici nelle condizioni basali senza indurre in essi variazioni sistemi biologici nelle condizioni basali senza indurre in essi variazioni quantitative che potrebbero pregiudicare lo studio.quantitative che potrebbero pregiudicare lo studio.

Per questo aspetto grande importanza è legata alla Per questo aspetto grande importanza è legata alla Attività Specifica Attività Specifica che è che è definita come la quantità di radioattività, espressa in Bq, per unità definita come la quantità di radioattività, espressa in Bq, per unità ponderale espressa in grammi o moli, infatti tanto più grande è l’attività ponderale espressa in grammi o moli, infatti tanto più grande è l’attività specifica del tracciante somministrato tanto minore è la quantità specifica del tracciante somministrato tanto minore è la quantità ponderale somministrata.ponderale somministrata.



Attualmente è possibile ottenere, attraverso tecniche radiochimiche, Attualmente è possibile ottenere, attraverso tecniche radiochimiche, traccianti praticamente puritraccianti praticamente puri, definiti del , definiti del primo ordineprimo ordine. .

Un esempio è offerto dallo Un esempio è offerto dallo II131131che raggiunge una attività di 37MBq in che raggiunge una attività di 37MBq in una quantità ponderale di circa un miliardesimo di grammo.una quantità ponderale di circa un miliardesimo di grammo.

Quando un radionuclide è completamente separato dai suoi isotopi Quando un radionuclide è completamente separato dai suoi isotopi stabili e da altri elementi viene definito stabili e da altri elementi viene definito CARRIER FREE CARRIER FREE e il suo e il suo peso può venire trascurato.peso può venire trascurato.

Quando il tracciante è una molecola o struttura biologica marcata con Quando il tracciante è una molecola o struttura biologica marcata con un determinato radioisotopo siamo di fronte ad un un determinato radioisotopo siamo di fronte ad un tracciante del tracciante del secondo ordinesecondo ordine nei quali nei quali è sempre presente una quota di carrier.è sempre presente una quota di carrier.


Lo stato dinamico dei costituenti di un sistema biologicoLo stato dinamico dei costituenti di un sistema biologico

Tutti i costituenti corporei si trovano in Tutti i costituenti corporei si trovano in equilibrio dinamicoequilibrio dinamico per per cui, in condizioni normali, mentre il numero di elementi che cui, in condizioni normali, mentre il numero di elementi che compongono un sistema rimane invariato, gli elementi stessi compongono un sistema rimane invariato, gli elementi stessi vengono rinnovati, in modo tale che vengono rinnovati, in modo tale che l’apparente invariabilità l’apparente invariabilità di composizione è il risultato dell’equilibrato procedere di di composizione è il risultato dell’equilibrato procedere di processi di sintesi e di diffusione processi di sintesi e di diffusione o più semplicemente della o più semplicemente della immissione e dell’allontanamento dei componenti dai singoli immissione e dell’allontanamento dei componenti dai singoli sistemi biologici.sistemi biologici.


Lo stato dinamico dei costituenti di un sistema biologicoLo stato dinamico dei costituenti di un sistema biologico

La proprietà di rinnovarsi è il minimo comune La proprietà di rinnovarsi è il minimo comune denominatore di tutta la materia vivente.denominatore di tutta la materia vivente.

E’ tale proprietà che rende possibile:E’ tale proprietà che rende possibile:

1.1. L’inserimento del tracciante nel sistema L’inserimento del tracciante nel sistema biologico; biologico;

2.2. La generalizzazione del comportamento del La generalizzazione del comportamento del tracciante a quello del sistema biologico tracciante a quello del sistema biologico tracciato.tracciato.


FaseFase

Con il termine Con il termine Fase Fase si intende un insieme di elementi si intende un insieme di elementi simili in equilibrio fra di loro, nel senso che un simili in equilibrio fra di loro, nel senso che un qualunque elemento omologo che in essa venga qualunque elemento omologo che in essa venga introdotto può andare ad occupare una posizione introdotto può andare ad occupare una posizione qualunque della fase, ed ancora nel senso che gli qualunque della fase, ed ancora nel senso che gli elementi omologhi introdotti nella fase stessa questi elementi omologhi introdotti nella fase stessa questi tenderanno a distribuirsi in essa in modo uniforme.tenderanno a distribuirsi in essa in modo uniforme.

Il processo della diffusione è regolato in linea di Il processo della diffusione è regolato in linea di massima dalle leggi della diffusione, nel sangue oltre massima dalle leggi della diffusione, nel sangue oltre ai fattori di diffusione si aggiungono altri fattori di ai fattori di diffusione si aggiungono altri fattori di mescolamento quali il flusso continuo. mescolamento quali il flusso continuo.

Può accadere che i processi di distribuzione siano Può accadere che i processi di distribuzione siano diversi dalla diffusione.diversi dalla diffusione.


Fase Unitaria – Fase CompartimentalizzataFase Unitaria – Fase Compartimentalizzata

Quando il passaggio di un elemento da un Quando il passaggio di un elemento da un punto ad un altro del sistema biologico punto ad un altro del sistema biologico ubbidisce alle sole ubbidisce alle sole leggi della diffusioneleggi della diffusione e non e non comporta mai il passaggio di una membrana comporta mai il passaggio di una membrana biologica o il cambiamento del suo stato biologica o il cambiamento del suo stato chimico - fisico siamo di fronte a ciò che si chimico - fisico siamo di fronte a ciò che si definisce definisce fase unitariafase unitaria..

Quando al suo interno esistono membrane Quando al suo interno esistono membrane che la suddividono in frazioni il sistema si che la suddividono in frazioni il sistema si definisce definisce fase compartimentalizzatafase compartimentalizzata..


Equilibrio dinamicoEquilibrio dinamico

L’equilibrio dinamico delle fasi è il prodotto da una serie di L’equilibrio dinamico delle fasi è il prodotto da una serie di processi di cui alcuni processi di cui alcuni irreversibiliirreversibili altri altri reversibilireversibili..

I processi irreversibiliI processi irreversibili legano tra di loro fasi diverse e legano tra di loro fasi diverse e presiedono al rinnovamento presiedono al rinnovamento vero e proprio dei sistemi biologici, vero e proprio dei sistemi biologici, mentre i mentre i processi reversibiliprocessi reversibili si svolgono all’interno delle fasi ed si svolgono all’interno delle fasi ed hanno per scopo ultimo il hanno per scopo ultimo il mantenimento dell’equilibrio di mantenimento dell’equilibrio di distribuzione.distribuzione.

Nella massima parte dei sistemi biologici che possono venire Nella massima parte dei sistemi biologici che possono venire studiati con traccianti radioattivi studiati con traccianti radioattivi i processi reversibili e quelli i processi reversibili e quelli irreversibili si embricano gli uni con gli altriirreversibili si embricano gli uni con gli altri in modo che il in modo che il comportamento del tracciante è la risultante dei due processi.comportamento del tracciante è la risultante dei due processi.

Nell’indagine sperimentale e nell’analisi successiva del Nell’indagine sperimentale e nell’analisi successiva del comportamento del tracciante si tende a separare queste due comportamento del tracciante si tende a separare queste due componenti, in modo da valutare il significato e l’importanza di componenti, in modo da valutare il significato e l’importanza di ognuna.ognuna.


Schematizzazione in fasi di un sistema biologicoSchematizzazione in fasi di un sistema biologico

Fase A

Fase BUnitaria

Fase C compartimentata

INPUTINPUT

OUTPUTOUTPUT


Processi ReversibiliProcessi Reversibili

All’introduzione del tracciante in un compartimento All’introduzione del tracciante in un compartimento segue la diffusione nel compartimento stesso e in quelli segue la diffusione nel compartimento stesso e in quelli ad esso connessi (ad esso connessi (cioè la diluizione in uno spazio cioè la diluizione in uno spazio crescentecrescente). Si registra così una riduzione della ). Si registra così una riduzione della concentrazione nel compartimento di introduzione. Tale concentrazione nel compartimento di introduzione. Tale riduzione dipende: dal volume di distribuzione del riduzione dipende: dal volume di distribuzione del compartimento, da quello dell’intera fase e dalle compartimento, da quello dell’intera fase e dalle caratteristiche delle membrane interposte tra i vari caratteristiche delle membrane interposte tra i vari compartimenti. compartimenti.

In assenza di processi irreversibili si giungerà ad una In assenza di processi irreversibili si giungerà ad una concentrazione costante sia nel compartimento di concentrazione costante sia nel compartimento di introduzione che nei compartimenti collegati. introduzione che nei compartimenti collegati.


Processi ReversibiliProcessi Reversibili

Con il termine Con il termine misure di diluizionemisure di diluizione si intende lo studio si intende lo studio della modalità con cui il tracciante si distribuisce della modalità con cui il tracciante si distribuisce all’interno della fase, dal compartimento di all’interno della fase, dal compartimento di introduzione fino al raggiungimento della uniformità di introduzione fino al raggiungimento della uniformità di distribuzione.distribuzione.

Dallo studio della variazione di concentrazione nel Dallo studio della variazione di concentrazione nel compartimento di introduzione è possibile dedurre compartimento di introduzione è possibile dedurre numerose caratteristiche della fase stessa, cioè numerose caratteristiche della fase stessa, cioè l’entità della fasel’entità della fase ,il ,il numero dei compartimentinumero dei compartimenti e la e la rapidità degli scambirapidità degli scambi tra i vari compartimenti. tra i vari compartimenti.


Processi IrreversibiliProcessi Irreversibili

Nei sistemi biologici in equilibrio dinamico i processi Nei sistemi biologici in equilibrio dinamico i processi irreversibili determinano l’immissione e l’allontanamento irreversibili determinano l’immissione e l’allontanamento di una ugual frazione degli elementi costitutivi ad ogni di una ugual frazione degli elementi costitutivi ad ogni tempo.tempo.

Il trasferimento di elementi costitutivi di una fase ad Il trasferimento di elementi costitutivi di una fase ad un’altra è governato esclusivamente da processi un’altra è governato esclusivamente da processi irreversibili.irreversibili.

Quando una aliquota più o meno grande di elementi (o Quando una aliquota più o meno grande di elementi (o loro frammenti) di una fase A è normalmente trasferita loro frammenti) di una fase A è normalmente trasferita attraverso un processo irreversibile in una fase B attraverso un processo irreversibile in una fase B partecipando alla costituzione dei suoi elementi partecipando alla costituzione dei suoi elementi costituenti senza che vi siano intermediari tra A e B costituenti senza che vi siano intermediari tra A e B allora la fase A viene definita allora la fase A viene definita Precursore SpecificoPrecursore Specifico della della fase B (ad esempio la glicina è un precursore specifico fase B (ad esempio la glicina è un precursore specifico della emoglobina).della emoglobina).


Processi IrreversibiliProcessi Irreversibili

Lo studio del comportamento del tracciante in fasi diverse da quella Lo studio del comportamento del tracciante in fasi diverse da quella originariamente marcata (fasi secondarie) ha una grande importanza originariamente marcata (fasi secondarie) ha una grande importanza nella metodologia isotopica.nella metodologia isotopica.

Le fasi secondarie possono in alcuni casi essere inerti Le fasi secondarie possono in alcuni casi essere inerti metabolicamente in modo che i loro elementi non vengono trasferiti metabolicamente in modo che i loro elementi non vengono trasferiti ulteriormente ad altri sistemi, ma più spesso queste rappresentano ulteriormente ad altri sistemi, ma più spesso queste rappresentano sistemi in equilibrio dinamico precursori a loro volta di altre fasi.sistemi in equilibrio dinamico precursori a loro volta di altre fasi.

Dallo studio del comportamento del tracciante in una fase secondaria e Dallo studio del comportamento del tracciante in una fase secondaria e dal suo confronto con una fase primitiva, è possibile ottenere dal suo confronto con una fase primitiva, è possibile ottenere informazioni di grande interesse quali la precisazione della effettiva informazioni di grande interesse quali la precisazione della effettiva condizione di precursore specifico di un sistema nei confronti di un condizione di precursore specifico di un sistema nei confronti di un altro e la misura delle costanti di rinnovamento del sistema secondario.altro e la misura delle costanti di rinnovamento del sistema secondario.


Le costanti di rinnovamentoLe costanti di rinnovamento

Per Per Tasso di rinnovamentoTasso di rinnovamento o Turnover o Turnover FF si intende la si intende la quantità di sostanza che entra nel sistema o esce da quantità di sostanza che entra nel sistema o esce da esso nell’unità di tempo.esso nell’unità di tempo.

Per Per Ritmo di rinnovamento Ritmo di rinnovamento R R si intende la frazione si intende la frazione dell’intero sistema che viene rinnovata nell’unità di dell’intero sistema che viene rinnovata nell’unità di tempo.tempo.

Tra il Tasso di rinnovamento F, il Ritmo di rinnovamento Tra il Tasso di rinnovamento F, il Ritmo di rinnovamento R e la quantità di sostanza che è presente nel sistema R e la quantità di sostanza che è presente nel sistema N N (o Entità del sistema) intercorrono le seguenti (o Entità del sistema) intercorrono le seguenti relazioni:relazioni:

R = F/N F = RNR = F/N F = RN

definizioni


Le costanti del rinnovamento Le costanti del rinnovamento

Si definisce “Si definisce “Tempo di rinnovamentoTempo di rinnovamento” o “Turnover time” ” o “Turnover time” T T di un sistema di un sistema biologico il tempo necessario alla sostituzione di una quantità di biologico il tempo necessario alla sostituzione di una quantità di sostanza pari a quella costituente il sistema stesso.sostanza pari a quella costituente il sistema stesso.

T = N/F T = N/F ma poichéma poiché F = RN F = RN ne seguene segue N/F = 1/R N/F = 1/R Per cuiPer cui T = 1/RT = 1/R o o R = 1/TR = 1/T

Un sistema è completamente definito quando di esso si conoscono tutte Un sistema è completamente definito quando di esso si conoscono tutte le costanti di rinnovamento R,F,N,T .le costanti di rinnovamento R,F,N,T .

Un sistema è relativamente definito quando siano determinate le sole Un sistema è relativamente definito quando siano determinate le sole costanti relative T ed R.costanti relative T ed R.


Processi irreversibiliProcessi irreversibili

Due sono i principali tipi di rinnovamento :Due sono i principali tipi di rinnovamento :

Rinnovamento DiscriminatoRinnovamento Discriminato; quando viene ; quando viene operata una scelta, quindi ha senso parlare di operata una scelta, quindi ha senso parlare di tempo di vita (es. eritrociti, epitelio).tempo di vita (es. eritrociti, epitelio).

Rinnovamento IndiscriminatoRinnovamento Indiscriminato; non viene operata ; non viene operata alcuna scelta per cui non ha senso parlare di alcuna scelta per cui non ha senso parlare di tempo di vita ma di vita media .tempo di vita ma di vita media .



Ipotesi : Ipotesi : blocchiamo l’immissione di nuovi elementi nel sistema.blocchiamo l’immissione di nuovi elementi nel sistema.

Processo irreversibile discriminatoProcesso irreversibile discriminato

N

N(0)

t

Life span

dN(t)/dt = -RN(0)

La variazione è costante e negativa ed indipendente dal numero N(t) di elementi rimasti nel sistema, per cui potremo dire che i processi irreversibili discriminati procedono come reazioni di ordine zero.



Processo irreversibile indiscriminatoProcesso irreversibile indiscriminatoIpotesi : blocchiamo l’immissione di nuovi elementi nel sistema.Ipotesi : blocchiamo l’immissione di nuovi elementi nel sistema.

N

N(t)

t

dN(t)/dt = -RN(t)

La variazione degli elementi residui N(t) nell’intervallo dt è negativa e proporzionale al numero stesso N(t). Quindi i processi irreversibili indiscriminati procedono come reazioni di primo ordine.

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Teoria dei traccianti radioattivi 1 I traccianti radioattivi Introduzione Lo studio dellorganismo umano fu iniziato dai grandi anatomici del rinascimento,