Radiation protection of the environment: providing knowledge and skills to the user

Figure 1

. Direct versus indirect effects caused from free radicals (in IAEA 2010) 

 

Free  radicals  are  not  unique  to  radiation,  but  are  produced  in  response  to  many  stressors:  

smoking, air pollution, exposure to solar UV radiation, tissue inflammation, and metabolism---all 

produce  damaging  free  radicals.  Such  free  radical  production  results  in  humans  experiencing 

approximately 10

4

 to 10

5

 endogenous oxidative damages per cell per day among the 3 x 10

9

 bases 

in  the  genome  (IAEA,  2010).  Damage  caused  from  the  free  radicals  is  so  abundant  that  very 

efficient repair mechanisms have evolved within all biological species, from yeast to humans, to 

counter their effects.  

 

---

 

 

 

 

                

 

 

Radiation protection of the environment: providing knowledge and skills to the user 

community

 

 

 

Tom Hinton 

French Institute for Radiation Protection and Nuclear Safety   Page 4 of 7 

 

18-Mar-14

 

https://wiki.ceh.ac.uk/x/hI9BBw

 

Radiation and the free radicals produced can damage DNA by causing several different types of 

lesions (e.g. single strand breaks, double strand breaks, base changes, interstrand crosslinks). The 

number of DNA lesions caused by a dose of 1 to 2 Gy is some 1000 base damages, 1000 single 

strand breaks (SSBs), and some 40 double strand breaks (DSBs; IAEA, 2010). DSBs are central 

to radiation-induced damage and their numbers correlate with radiosensitivity and the probability 

of  cell  survival.  There  are  efficient  DNA  repair  processes  specific  to  each  type  of  lesion.  For 

DSBs the two primary repair pathways are non-homologous-end-joining (NHEJ) and homologous 

recombination  (HR).  The  mechanisms  of  the  two  repair  pathways  are  such  that  NHEJ  is  much 

more prone to errors during the repair process (IAEA, 2010).  

 

Errors in repair can result in cell death through apoptosis, chromosome aberrations or mutations. 

The fate of mutations and their impacts within a population are dependent on the type of cell in 

which  they  occur.  Two  general  types  of  cells  are  germ  and  somatic.  Germ  cells  refer  to  the 

primordial  cells  from  which  eggs  or  sperm  are  derived.  All  other  tissues  (bone,  muscle,  blood, 

etc.) are derived from somatic cells. A mutation within a somatic cell can lead to cell death, or if 

the  DNA  damaged  cell  has  undergone  mis-repair  such  that  the  cell  is  still  viable,  then  the 

mutation in the somatic cell can lead to cancer. Mutations in reproductive germ cells can decrease 

the  number  of  gametes,  increase  embryo  lethality,  or  be  inherited  by  the  offspring,  resulting  in 

their alteration. For humans, the risk of hereditary effects in offspring of exposed individuals is 

about 10% of the cancer risk to the exposed parents. The risk of non-fatal cancer for humans has 

been  estimated  at  1  x  10

-5

  per  mSv.  For  non-human  biota  the  risk  of  hereditary  effects  is 

unknown.   

 

Most  mutations  are  deleterious,  offer  no  advantage  to  the  individual  that  possesses  it,  and  are 

subsequently removed from the population. Some mutations are neutral, have no apparent effect 

on  the  individuals  that  possess  it,  and  can  persist  over  many  generations  within  a  population. 

Rarely,  a  mutation  might  offer  a  selective  advantage  (e.g.  increase  the  efficiency  of  water 

absorption  in  the  roots  of  a  plant  that  contains  the  mutation).  Such  selective  advantages  would 

spread in a population.  

 

The  deleterious  effects  of  ionising  radiation  to  biological  systems  have  been  known  from  the 

earliest days to be primarily dose dependent. Effort has therefore been expended over the years in 

defining the effective dose to a biological system. The issue is complex because the effective dose 

depends not only on the gross energy deposited, but also on the quality of the radiation and the 

radiation sensitivity of the affected tissue.  

 

In  SI  units,  the  effective  dose  to  humans  is  the  Sievert  (Sv),  which  is  the  absorbed  dose  (Gy) 

adjusted by two dimensionless weighting factors: the radiation weighting factor w

R

 to account for 

the  biological  effectiveness  of  the  absorbed  radiation;  and  the  tissue  weighting  factor  w

T

  to 

account  for  differences  in  the  radiation  sensitivities  of  different  organs  of  the  body.  These 

weighting factors have been developed solely for human radiation biology—no such factors exist 

for non-human biota.  Thus, dose to non-human biots is expressed in Gy, rather than Sv.  

 

Biological  effects  of  radiation  are  classified  as  deterministic  or  stochastic  effects.  Readers  are 

referred to a detailed description in IAEA (2010), and to the general information in the associated 

powerpoint slides. 

---

 

 

 

 

                

 

 

Radiation protection of the environment: providing knowledge and skills to the user 

community

 

 

 

Tom Hinton 

French Institute for Radiation Protection and Nuclear Safety   Page 5 of 7 

 

18-Mar-14

 

https://wiki.ceh.ac.uk/x/hI9BBw