A utilização de isótopos em
análises biológicas
Ecologia Energética
2007/2
Victor Sábato Rocha
INTRODUÇÃO
 Usando
isótopos como traçadores
ou “espiões” é possível obter
novas informações sobre
o
percurso dos átomos de elemento,
seja num indivíduo, cadeia trófica
ou ambiente.
INTRODUÇÃO
 Isto
ocorre porque eles podem ser
diferenciados com grande precisão
dos íons do composto que já está
no ambiente, mesmo que não haja
comportamento químico diferente.
Figura 1: Isótopos de Hidrogênio – Protio, Deutério e Trítio.
INTRODUÇÃO




Os isótopos podem ser utilizados como
traçadores e suas vantagens são:
Maior sensibilidade em relação às medidas
químicas
Permitem a descrição dos passos de um
elemento em particular através de um
sistema metabólico.
Podem ser detectados e localizados por
filmes de Raios-X
PARTICULARIDADES
PARTICULARIDADES
 Isótopos
são utilizados pois são
capazes
de
sensibilizar
superfícies,
materiais
ou
equipamentos.
 Isto ocorre devido ao processo de
desintegração que as formas mais
“pesadas” sofrem para atingir
estados mais estáveis.
PARTICULARIDADES
 No
processo de desintegração o
átomo emite radiação.
 As principais formas de radiação
emitidas são partículas alfa,
partículas beta e raios gama.
http://www.miliarium.com/Proyectos/Nitratos/Isotopos/Teoria/TeoriaIsotopos.asp.
TABELA DE
ISÓTOPOS

Em vermelho:
encontrados
Os
núcleos estáveis
na
natureza.
Em azul : Os núcleos que possuem mais
prótons em comparação com os núcleos
estáveis
(em
vermelho).
Em verde : Os núcleos que possuem mais
nêutrons comparados com os núcleos
estáveis
(em
vermelho).
Em rosa : São núcleos muito ricos em
prótons ou em nêutrons. Estes núcleos
são
chamados de Núcleos Exóticos e
possuem características muito diferentes
que
a
maioria dos outros núcleos e escapam às
explicações fornecidas pelos modelos
existentes, gerando um grande desafio
para a física nuclear teórica. A grande
maioria
destes núcleos ainda não foram medidos
experimentalmente.
http://www.miliarium.com/Proyectos/Nitratos/Isotopos/Teoria/TeoriaIsotopos.asp.
UTILIZAÇÃO
UTILIZAÇÃO

Os isótopos mais usados como traçadores
são: P-32, S-35, Ca-45, Fe-59, Cu-64, Zn-65,
C-14, H-3, N-15 e O-18, sendo os dois
últimos isótopos estáveis. Grande parte
deles pode ser facilmente utilizada, como o
P-32 e o S-35, mas o C-14 e o Ca-45
apresentam “problemas” de Meia-Vida (5700
anos) longa e possibilidade de incorporação
ao
esqueleto
ósseo
se
ingerido,
respectivamente.
UTILIZAÇÃO: Carbono 14


O carbono possui vários isótopos. Os
principais são o C-12 (98,89 %) e C-13
(1,11%) estáveis, e o C-14 instável,
encontrado na atmosfera na proporção de
um átomo a cada 1012 átomos de C-12.
O C-14 é um radionuclídeo produzido
continuamente através de reações nucleares
a partir de interações entre as partículas
energéticas (raios-cósmicos) e nuclídeos
atmosféricos.
UTILIZAÇÃO: Carbono 14


Para a obtenção de C-14 várias produções
podem ocorrer (ex.: 14N + n →1H + 14C)
Quase a totalidade do C-14 é formada a
partir de N-14 devido a sua abundância
(99,63%). Uma vez produzido o C-14 decai
para N-14 estável, através de uma emissão
β-.
[
14N
+ n →1H + 14C
]
UTILIZAÇÃO: Carbono 14

Dentro do processo do ciclo do carbono
muitas
moléculas
orgânicas
sofrem
transformações, interagindo em seqüência
com compostos inorgânicos de C. Para
estudar essas transformações, o C-14 é
introduzido nos compostos para descrever
todo processo metabólico.
UTILIZAÇÃO: Carbono 14







Dentre essas transformações podemos citar:
Incorporação do CO2 pelos microrganismos
Decomposição da celulose, hemicelulose e
lignina
Degradação de substratos orgânicos e ou
compostos químicos
Processos Metabólicos
Utilização de Glicose marcada em estudos
de Biomassa microbiana
Eficiência Fotossintética
Biocidas

Os biocidas são liberados intencionalmente
no ambiente para o controle de insetos,
plantas daninhas, doenças em plantas e
outros males que afetam a agricultura e a
produção animal. Assim de acordo com a
legislação, seu uso deveria ser regulado e
monitorado devido aos problemas potenciais
associados ao seu uso indiscriminado.
Biocidas

Os resíduos de pesticidas em plantações e
em outros alimentos apresentam problemas
especiais: sua presença não é somente
importante em termos humanos, mas
também nas cadeias tróficas em ambientes
naturais. O termo “resíduo” não somente
denota pesticidas, mas também compostos
que possam derivar de seu metabolismo,
mudanças químicas e outros processos.
Biocidas

Para o registrar a presença dos pesticidas
frequentemente são requeridos estudos de
metabolismo em plantas, pássaros, peixes e
mamíferos. Para tais estudos são utilizadas
moléculas marcadas radioativamente como
C-14 e H-3.
http://nuclear.fis.ucm.es/webgrupo/Lab_Detector_Centelleador.html
Biocidas

Os biocidas no solo estão sujeitos a
processos de degradação. Estes incluem
degradação
química,
fotoquímica
ou
decomposição biológica. O processo de
transferência
é
caracterizado
pela
permanência da molécula intacta, incluindo
adsorção ao solo, absorção, exudação e
retenção por plantas e outros organismos,
washoff no solo, volatilização, infiltração no
solo e ascensão por capilaridade.
Biocidas

Em Dezembro de 1984 no Encontro do
Grupo FAO/IAEA em Vienna foram
discutidas as aplicações de técnicas
nucleares para estudo de pesticidas nos
processos
ambientais,
ressaltando
a
utilização de pesticidas marcados com C-14.
Tais informações são essenciais para
formulação de um guia de uso de pesticidas.
Detecção de Carbono 14

Na maioria dos estudos de degradação de
biocidas com o emprego de técnicas
nucleares
utiliza-se
o
método
de
Respirometria (medida de CO2 liberado na
biodegradação de um solo, utilizando o C-14
como traçador e a medida de radioatividade
através de espectrofotômetro de cintilação
líquida).
lã de vidro
cal sodada 4g
armadilha para
CO2 atmosférico
lã de vidro
coluna de
vidro
cal sodada 4g
entrada para aeração
armadilha para
CO2 atmosférico
lã de vidro
frasco erlenmeyer
300mL
solo 50g com
C-14-herbicida
Esquema do Frasco de cal sodada descrito por Anderson, 1975.
http://nuclear.fis.ucm.es/webgrupo/Lab_Detector_Centelleador.html
Detecção de Carbono 14


A amostra a ser analisada é misturada com uma
solução cintilante (coquetel de cintilação). Através
da interação da radiação com o cintilador, fótons são
emitidos e estes são prontamente detectados.
A solução de cintilação consiste de um solvente
orgânico, um cintilante (flúor) e um deslocador de
comprimento de onda como soluto. O coquetel atua
como um transdutor, convertendo energia de
emissão de decaimento nuclear em luz.
Detecção de Carbono 14

O recipiente de contagem, contendo o coquetel de
cintilação e a amostra radioativa é opticamente
acoplado a um fotocatodo e um sistema
fotomultiplicador. Geralmente, a máxima eficiência
do fotocatodo está em um comprimento de onda
menor que o da luz emitida pelo cintilador. Em tal
caso um deslocador de comprimento de onda (flúor
secundário) é acrescentado ao coquetel de
cintilação. Esta substância assumi a energia de
excitação do cintilador primário e emite o com um
comprimento de onda maior a fim de combinar a
resposta espectral do fotocatodo.
http://www.cena.usp.br/labs/labc14ingl.htm
Detecção de Carbono 14


Um outro método é a autoradiografia.
Utilizada para localizar e visualizar um traçador
radioativo através da sensibilização pela radiação
ionizante de emulsões fotográficas. Emulsões são
suspensões de sais de prata. Cobre-se o material
com emulsão fotográfica especial sob tempo
específico e então se revela o filme. Na revelação os
sais são transformados em grãos de prata (pontos
pretos). Deve-se tomar cuidado para que não haja
pressão ou efeito químico do material na emulsão,
pois poderiam produzir uma imagem.

Foi a técnica
utilizada por
Becquerel em
1896 na
descoberta da
radioatividade.
http://www.ciagri.usp.br/~luagallo/radioisotopos.htm
Detecção de Carbono 14

As áreas escuras constituem um autoretrato da atividade do material. A
intensidade do escurecimento é função do
tempo de exposição e da quantidade de
atividade na amostra naquele local.

Terceiro
método:
Espectrometria
de Acelerador
de Massa
(AMS)
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:1_MV_accelerator_mass_spectrometer.jpg
Detecção de Carbono 14


Originalmente desenvolvido para detectar
radiocarbonos em amostras orgânicas que
morreram há mais de 60000 anos.
O uso de dois acelerados eletrostáticos
para detecção do 14C em amostras
orgânicas é vantajoso, pois permite
discriminação entre os dois interferentes de
massa 14, ou seja, 14N e 12CH2 e 13CH.
Detecção de Carbono 14

A destruição das moléculas é uma
propriedade do AMS que emprega duplos
aceleradores eletrostáticos que é de crucial
importância na detecção ultra-sensível de
cada isótopo em adição ao 14C para o qual
AMS é usado.
Conclusão
A partir da análise das propriedades dos
isótopos e consequentemente do comportamento
dos mesmos em sistemas biológicos, foi possível
extrapolar sua utilização para as mais diversas
tarefas dentro do campo da Biologia. De
diagnósticos médicos à Ecologia de Processos, o
uso de isótopos demonstrou-se de extrema
importância no avanço do entendimento do
funcionamento da Vida, configurando-se como
ferramenta fundamental para a compreensão da
dinâmica dos sistemas biológicos.
Fontes Bibliográficas
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