Strahlung

Strahlung bezeichnet die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen. Sie gehört zu den physikalischen Mutagenen, die, wie auch andere äußere Einflüsse, die DNA eines Organismus nachhaltig verändern können.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Strahlung – als Mutagen

    Strahlung ist ein Mutagen, das bei Menschen und anderen Lebewesen Mutationen hervorrufen kann, die Veränderungen im Genom verursachen. Diese Veränderungen im Genotyp können auch phänotypische Auswirkungen zeigen.

    Mutagene sind äußere Einflüsse, die Veränderungen im Erbgut eines Organismus hervorrufen können.

    Als Genotyp bezeichnet man die genetische Ausstattung eines Organismus, also die Gesamtheit aller Gene.

    Als Phänotyp wird das äußere Erscheinungsbild eines Organismus bezeichnet, das wiederum auf dem Genotyp basiert.

    Allgemein kann man

    • chemische Mutagene (dazu gehören Teerstoffe aus Tabakprodukten oder Bestandteile von Schädlingsbekämpfungsmitteln),
    • biologische Mutagene (wie Herpes-Viren), aber auch
    • physikalische Mutagene (wie UV-Strahlung oder die radioaktive Strahlung) unterscheiden.

    Wenn Du mehr zu den verschiedenen Arten der Mutagene wissen möchtest, dann schau doch gerne bei der entsprechenden Erklärung vorbei.

    Eine Mutation entsteht entweder natürlich oder durch Mutagene verursachte Veränderung des Erbguts. Sie kann als Genommutation, Chromosomenmutation oder als Punktmutation auftreten.

    Strahlung – Definition

    Die verschiedene Arten der Strahlung kann man nach ihrer Quelle und nach der Wirkung unterscheiden. Deswegen kann man grundlegend ionisierende und nicht ionisierende Strahlung voneinander abgrenzen.

    Bei der ionisierenden Strahlung handelt es sich um Strahlung, die in der Lage ist, ein Elektron aus der Atomhülle eines Atoms zu entfernen. Dafür ist sehr viel Energie nötig.

    Ihr Name kommt daher, dass die Strahlung zuvor ausgeglichene Atome zu Ionen macht, das heißt ein Elektron aus der Atomhülle entfernt. Diese Atome werden somit ionisiert. Die ionisierende Strahlung lässt sich zudem in Teilchenstrahlung und elektromagnetische Strahlung unterteilen.

    Unter der Teilchenstrahlung versteht man Strahlen, die aus massiven Teilchen, Atomen und Ionen bestehen. Dazu gehören die Röntgenstrahlung und die radioaktive Strahlung.

    Bei der elektromagnetischen Strahlung findet eine Übertragung von Energie durch elektromagnetische Wellen, genauer gesagt Lichtteilchen, auch Photonen genannt, statt.

    Wenn Du zur ionisierenden Strahlung oder zum Atomaufbau noch mehr wissen möchtest, dann schau Dir gerne die dazugehörigen Erklärungen an!

    Strahlung – Arten

    Es gibt verschiedene Arten der Strahlung, die durch ihre verschiedenen Wellenlängen unterschieden werden können. Die für uns direkt wahrnehmbare Strahlung, also das Licht, ist nur ein geringer Teil davon.

    UV-Strahlung

    Die Ultraviolettstrahlung oder auch kurz UV-Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, dessen Wellenlänge kürzer, als die des sichtbaren Lichts ist. Das bedeutet, dass sie für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist. Unterscheidbar sind die Wellenlängenbereiche von UV-A, UV-B und UV-C. Die Wellenlänge der UV-A-Strahlung liegt zwischen 380 und 315 nm, die der UV-B-Strahlung zwischen 315 und 280 nm und die UV-C-Strahlung liegt zwischen 280 und 200 nm.

    Die UV-A-Strahlung ist die Strahlung, die Dich in der Sonne braun werden lässt. Zudem wird sie zur Vitamin-D-Synthese benötigt.

    Radioaktive Strahlung

    Häufig wird radioaktive Strahlung mit Radioaktivität gleichgesetzt, jedoch gibt es zwischen diesen Begriffen einen signifikanten Unterschied.

    Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan radioaktive Strahlung auszusenden.


    Bei radioaktiver Strahlung handelt es sich um ionisierende Strahlung.

    Röntgenstrahlung

    Bei Röntgenstrahlen handelt es sich, genau wie bei den UV-Strahlen, auch um elektromagnetische Wellen. Der Wellenlängenbereich liegt zwischen 1 und 0,25 nm. Somit sind auch die Röntgenstrahlen für das menschliche Auge nicht sichtbar. Zudem handelt es sich bei der Röntgenstrahlung um eine ionisierende Strahlung.

    Strahlung – Auswirkungen und genetische Schäden durch Strahlung

    Normalerweise werden jegliche Schäden, die in der DNA entstehen, durch den körpereigenen Reparaturmechanismus repariert. Werden diese Mutationen jedoch übersehen, bleiben sie in der DNA enthalten und werden bei der Replikation weitergetragen oder es entstehen weitere Fehler.

    UV-Strahlung

    Die UV-Strahlung ist kurzwellig, weswegen sie tief in Deine Haut eindringen kann. Dort kann sie dann direkte Veränderungen Deiner DNA vornehmen.

    Die UV-Strahlen verknüpfen nah aneinander liegende Thyminbasen miteinander, was zur Folge hat, dass diese sich nicht mehr mit der Base Adenin paaren können, mit der sie sonst eine Bindung eingehen. Zwischen den Thyminbasen findet demnach eine Dimerisierung statt, das heißt, dass ein Dimer aus zwei benachbarten Thyminbasen entsteht.

    Deine DNA ist aufgebaut wie eine Strickleiter, dessen Sprossen vier verschiedene Basen enthält, die miteinander eine Bindung eingehen. Die Base Thymin (T) geht eine Bindung mit Adenin (A) ein und die Cytosin (C) mit Guanin (G). Weitere Informationen zum DNA-Aufbau findest Du in der passenden Erklärung.

    Aufgrund dieser Fehlpaarung kann die genetische Information an dieser Stelle nicht mehr abgelesen und vermehrt werden. Jedoch ist es möglich, dass die Polymerase, das Enzym, was für das Ablesen und das Vermehren zuständig ist, die Fehlpaarung einfach überspringt und die entstandene Lücke wird im Nachhinein repariert.

    UV-Strahlung ist auch die Strahlung, die die menschliche Haut im Sommer braun werden lässt. Die Bräunung der Haut ist ein Schutzmechanismus, denn durch die stärkere Pigmentierung können die UV-Strahlen nicht mehr so tief in die Haut eindringen. Bei einem Sonnenbrand ist dieser Bräunungsschutz der Haut nicht mehr ausreichend und die Haut erleidet eine Verbrennung und wird rot.

    Radioaktive Strahlung

    Wenn radioaktive Strahlung auf den menschlichen Körper trifft, hat diese oftmals keine direkte Wirkung auf die DNA. Jedoch bilden sich beim Auftreffen der Strahlung Radikale aus Wassermolekülen, die dann die Bestandteile der DNA angreifen. Dabei kann es zu Einzel- oder Doppelstrangbrüchen der DNA kommen. Des Weiteren kann die radioaktive Strahlung eine Punktmutation verursachen.

    Als eine Punktmutation bezeichnet man eine Genmutation, bei der nur ein einziges Nukleotid, also ein Grundbaustein der DNA, betroffen ist. Dabei wird dieses Nukleotid entweder ausgetauscht, ausgelöscht oder ein neues Nukleotid eingesetzt.

    Radikale sind in der Chemie Atome oder Moleküle, die ein oder mehrere freie Valenzelektronen besitzen. Das hat zur Folge, dass sie schnell Reaktionen mit anderen Molekülen eingehen.

    Wenn Du vielleicht noch eine Auffrischung zum Thema Valenzelektronen benötigst, schau Dir gerne die passende Erklärung dazu an.

    Besonders gefährlich wird es, wenn die radioaktive Strahlung über die Nahrung aufgenommen wird, dann verweilt sie länger im Körper und kann dann dort auch mehr Schaden anrichten.

    Krankheiten durch radioaktive Strahlung

    Starke und dauerhafte Strahlenbelastung kann die Strahlenkrankheit hervorrufen, deren Symptome von grippeähnlichen Beschwerden, bis hin zur Unfruchtbarkeit oder Blutungen sein können. Langzeitfolgen von einer erhöhten Strahlendosis sind etwa ein erhöhtes Krebsrisiko und auch der Tod. Diese Strahlenkrankheit kommt jedoch meistens nur bei einer solchen Strahlendosis vor, der nur Menschen bei einem Atomunfall oder ähnlichem ausgesetzt sind.

    Radioaktive Strahlung in der Medizin

    Radioaktive Strahlung wird in der sogenannten Nuklearmedizin verwendet. Dabei werden Patienten radioaktive Arzneimittel verabreicht, mit denen verschiedene Organe markiert werden können und so die Funktion oder auch Dysfunktion dieser Organe untersucht wird. Zudem ist die Strahlentherapie auch ein Teil der modernen Krebstherapie.

    Die Strahlenbelastungen bei diesen Behandlungen sind sehr gering und bauen sich schnell wieder ab, um den Patienten nur möglichst kurz der Strahlung auszusetzen. Bei Schwangeren jedoch sollte auf eine Untersuchung dieser Art verzichtet werden.

    Röntgenstrahlung

    Die Wirkung der Röntgenstrahlung auf die DNA ist weniger gefährlich, als die anderer Strahlung, jedoch sollte man sie auch nicht unterschätzen. Es kann passieren, dass das Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA an einer Stelle aufgebrochen wird. Das hat dann einen Einzelstrangbruch zu Folge. Daraufhin kann die Polymerase dort die DNA nicht mehr replizieren und die geschädigten Zellen sterben ab.

    Röntgenstrahlung in der Medizin

    In der Medizin wird Röntgenstrahlung zur bildlichen Darstellung von Körperstrukturen verwendet, die man von außen schlecht untersuchen kann. Besonders häufig werden dadurch Knochenbrüche festgestellt.

    Negative Auswirkungen der Röntgenstrahlung auf den Menschen sind eher selten. Nur bei vielen Röntgenaufnahmen innerhalb einer sehr kurzen Zeit kann es für die Menschen schädlich werden.

    Strahlung – Reparaturmechanismen

    Mutationen in der DNA sind keine Seltenheit, deswegen gibt es bei fast allen Organismen spezifische Reparaturmechanismen, die diese Fehler beseitigen.

    Wenn Du noch mehr zu den verschiedenen Reparaturvorgängen wissen möchtest, lies Dir gerne die Erklärung dazu durch.

    Fotoreaktivierung

    Durch eine direkte Reparatur werden etwa die, bei UV-Strahlung verursachten, fehlgepaarten Thyminbasen voneinander getrennt.

    Für diese Reaktion ist ein spezielles Reparaturenzym zuständig, das durch blaues Licht aktiviert ist. Daraufhin löst dieses Enzym die beiden fehlgepaarten Thyminbasen voneinander und die DNA ist wieder funktionsfähig.

    Exzisionsreparatur

    Die Exzisionsreparatur ist eine Art der DNA-Reparatur, bei der die fehlerhafte DNA mit einem dafür zuständigen Reparaturenzym ausgeschnitten wird.

    Das zuständige Enzym ist die Nuklease, das die Fehler in der DNA entdeckt und auch direkt rausschneidet. Es gibt zwei verschiedene Arten der Exzisionsreparatur, die Basen-Exzisionsreparatur und die Nukleotid-Exzisonsreparatur.

    Die Basen-Exzisionsreparatur repariert nur Mutationen der Basenpaarung auf den DNA-Strängen. Wohingegen die Nukleotid-Exzisionsreparatur nicht die einzelnen Basen, sondern komplette Veränderungen der DNA-Konformation betrifft.

    Strahlung – Das Wichtigste

    • Mutagene sind äußere Einflüsse, die Veränderungen im Erbgut verursachen können.

    • Mutationen können in Form von Genommutation, Chromosomenmutation oder als Punktmutation auftreten.

    • Strahlung wird aufgeteilt in ionisierende und nicht-ionisierende Strahlung.

    • UV-Strahlung kann zu Basenfehlpaarungen führen.

    • Radioaktive Strahlung kann, durch Radikalbildung, zu Einzel- und Doppelstrangbrüchen oder Punktmutationen führen.

    • Bei einer hohen radioaktiven Strahlungsbelastung kann die Strahlenkrankheit auftreten.

    • Radioaktive Strahlung wird auch in der Nuklearmedizin zur Diagnostik verwendet.

    • Röntgenstrahlung kann Einzelstrangbrüche verursachen.

    • Die Mutationen können durch Fotoreaktivierung oder Exzisionsreparatur wieder repariert werden.


    Nachweise

    1. Janning; Knust (2004). Genetik. Thieme
    2. Sadava et al. (2019). Purves Biologie. Springer Spektrum
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    Häufig gestellte Fragen zum Thema Strahlung

    Welche biologischen Wirkungen haben radioaktive Strahlen?

    Radioaktive Strahlen haben verschiedene biologische Wirkungen auf den Menschen. Bei einer Auswirkung auf die DNA kann es zur Bildung von Radikalen kommen, die dann die DNA angreifen, dabei entstehen Punktmutationen, Einzel- oder Doppelstrangbrüche. 

    Welche Schäden können bei starker Strahlung auftreten?

    Bei starker Strahlung verschiedener Art, kann es zu irreparablen Schäden in der DNA kommen, die womöglich Krebs verursachen. 

    Warum löst Radioaktivität Mutationen aus?

    Radioaktivität löst Mutationen aus, weil durch das Auftreffen der Strahlung die DNA aus Wassermolekülen Radikale wie Wasserstoffperoxid entstehen. Weil es sich hierbei um eine extrem reaktive Substanz handelt, kommt es dann zu Punktmutationen oder Einzel- und Doppekstrangbrüchen.

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