第四章电离辐射生物学作用原理

第四章电离辐射生物学作用原理第1页，共79页，2023年，2月20日，星期三教学要求1.掌握生物靶学说的概念和类型及其意义2.掌握辐射的种类及其物质作用的特点3.掌握传能线密度、相当生物效能与辐射敏感性4.了解电离辐射对生物体作用的化学基础5.理解电离辐射生物学作用的影响因素第2页，共79页，2023年，2月20日，星期三第1节电离辐射与生物靶学说放射性物质可以诱发各类相关疾病和癌症，为解决生物学作用机制，科学家提出了靶学说(targettheory)的概念电离辐射与生物靶学说所以了解靶学说有利于理解辐射致细胞死亡的机制和探讨有关影响细胞辐射效应的因素。一、靶学说和靶数学模型基础靶概念靶数学模型是细胞放射生物学的第四章电离辐射生物学作用原理第3页，共79页，2023年，2月20日，星期三以后Blackwood在1931年根据他的辐射实验，计算了基因的大小。20世纪40年代，几乎同时出版了两部靶学说的经典著作：（一）靶学说概念

1924年，Crowther提出了靶学说的概念。认为照射后细胞有丝分裂的抑制，是由于染色体中有着丝点那样大小的体积中发生了一次电离的结果,并证明细胞分裂的抑制与照射剂量之间存在着定量的关系——靶学说的最初形式.①英国放射生物学家Lea的《辐射对活细胞的作用》把靶概念进一步完善。②德国物理学家和Zimmer合著的《生物学中的击中原理》把靶概念进一步完善。历史第4页，共79页，2023年，2月20日，星期三(1)活细胞内存在着对射线特别敏感的区域，称作“靶”(target)，射线辐照在靶上即引起某种生物效应。(2)射线与靶区的作用是一种随机过程，是彼此无关的独立事件，“击中”几率服从Poisson分布(泊松分布)。(3)射线在靶区内的能量沉积超过一定值便发生效应，不同的靶分子或靶细胞具有不同的“击中”数。靶学说的理论要点：辐射所致的生物效应是由于在靶细胞内发生了一次电离作用或“能量沉积事件”的结果，会引起生物大分子失活、基因突变和染色体断裂等，这种效应决定于辐射的性质和靶的辐射敏感性。第5页，共79页，2023年，2月20日，星期三按照这个学说可以由受到一定照射剂量的生物体比例来计算靶分子或靶结构的大小。还可以进一步预测产生相同生物效应的不同射线的电离效率。现在学者研究认为，主要的靶分子是脱氧核糖核酸(DNA),此外还有细胞膜。(二)电离辐射的作用阶段物理阶段：极短：10-14秒化学阶段：很短：10-10秒生物阶段：数分钟自几十年第6页，共79页，2023年，2月20日，星期三第7页，共79页，2023年，2月20日，星期三物理阶段主要指带电粒子和构成组织细胞的原子之间的作用。包括电离作用和激发作用。指受损的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期。主要指自由基的形成化学阶段包括所有的继发过程。在此阶段，大部分的DNA损伤会被修复，极少部分不能修复的损伤最终将导致细胞死亡，并且在照射后很长一段时间后，在照射的区域内有可能产生第2个肿瘤即射线致癌。生物阶段第8页，共79页，2023年，2月20日，星期三生物效应恢复正常死亡癌变修复成功修复失败电离辐射的直接作用和间接作用高LET射线主要是直接作用。电离辐射作用的靶是DNA直接作用：各种带电或不带电的粒子或光子被物质吸收后直接与细胞的关键靶DNA发生作用，靶原子本身的原子可以被电离或激发，从而启动一系列的生物变化事件。

间接作用：指辐射与细胞内的其他分子或原子（特别是水）相互作用，产生自由基，这些自由基可以扩散到足够远，到达并损伤靶DNA。第9页，共79页，2023年，2月20日，星期三随着细胞生物学的发展，针对不同生物体对不同品质的射线、不同照射方式、不同修复条件，拟合了多种数学模型。具有代表性的模型有以下几种：（三）靶数学模型最初是从靶学说的概念中提出描述辐射剂量-细胞存活率曲线的数学模型。1.单靶击中模型(onetargetandone-hitmodel)第10页，共79页，2023年，2月20日，星期三假设：受照生物体仅有一个对射线敏感的结构，即单靶；在此单靶中仅发生一次电离事件或仅一个电离粒子穿过，即单击。靶学说的基础细胞生物曲线数学模型的理论基础是单靶单击模型生物大分子、某些小病毒和细菌，在少数情况下，也适用于描述高LET辐射（如α粒子）所致的哺乳动物细胞恶化性转化。应用于表达式细胞存活分子平均致死剂量第11页，共79页，2023年，2月20日，星期三当照射剂量增加时，靶的击中数也随之增加,但其增速较慢,所以击中曲线向上突起，如右图所示左图，靶的一次击中数与射线剂量成正比，但这仅仅只在刚开始时。均是以靶的击中部分为坐标第12页，共79页，2023年，2月20日，星期三未失活部分和击中部分按等比级数下降，呈指数曲线，尽管剂量增加生物效应并不按比例增加，呈下凹曲线如左图所示若将存活部分改为对数坐标，则可得如右图所示的直线。第13页，共79页，2023年，2月20日，星期三2.多靶单击模型(moretargetandone-hitmodel)在一些辐射生物实验中，推测有两个或多个靶存在，这时显然不能用单靶模型。对于某些大的病毒和细菌、酵母菌落的多细胞系统，哺乳动物细胞都属于多个靶模型。多靶单击模型改良的初始斜率非零的模型简单的初始斜率为零的模型分为两种简单的多靶单击模型的细胞存活分数(SF)：曲线指数区存活率每下降63%所需的照射量外推数或靶数照射量第14页，共79页，2023年，2月20日，星期三这条曲线的初始斜率为0，其余部分为指数型直线，这个模型对受高LET照射的哺乳动物细胞比较适用(如右图)改良的多靶单击模型是在上式基础上乘以一个带有指数失活特点的校正系数后，得到下列方程式：第15页，共79页，2023年，2月20日，星期三D1和D2指曲线开始和终止时候的2个斜率所对应的剂量值，对大多数细胞和较宽能量范围都适用。我们可以类推，进一步排列组合，可得到单靶单击、单靶多击、多靶单击和多靶多击等多种可能性，并可计算出相应的模型。第16页，共79页，2023年，2月20日，星期三3.线性-平方模型（linerquadraticmodel，简称LQ模型）模型方程为：该模型的曲线不断向外弯曲，故又称连续弯曲曲线模型。曲线的初始斜率也不等于0。曲线弯曲程度是α和β的函数(右图)。α、β是两个常数，α代表了单击所致的细胞死亡(不可修复)，β代表了双击所致的细胞损伤(可修复)。第17页，共79页，2023年，2月20日，星期三系数α和β值取决于DNA修复能力和细胞环境中的其他因素。α/β代表了细胞修复能力的大小。当αD=βD2或D=α/β时，单击所致的细胞损伤与双击所致的细胞损伤的贡献相等。其方程是由二元辐射作用理论(theoryofdualradiation)提出的，认为单击和多击效应同时存在，总辐射效应由αD和βD2的相对重要性决定。第18页，共79页，2023年，2月20日，星期三LQ模型是近20多年来放射生物学研究的重大发展，现已广泛应用于放射生物学研究和临床放射治疗。根据正常组织与肿瘤之间α/β值的不同，改进治疗方案，可使正常组织的反应相对较轻，从而提高放射性治疗的效果。（四）靶学说的意义和局限性对照射后生物大分子的失活规律、辐射敏感体积的估计、靶相对分子质量的估算，以及在分子水平上评价不同品质射线对相对生物效能(relativebiologicaleffect，RBE)的影响方面有着重要的指导意义。靶学说和数学模型意义：第19页，共79页，2023年，2月20日，星期三尽管如此，靶学说在现代生物学中仍在应用和发展，如二元辐射理论建立的DNA双链断裂模型被看做是经典靶学说的发展。靶学说的局限性：由于历史原因，经典的靶学说设想比较简单，对生物的复杂性认识不足，在使用上有一定的适用范围；靶学说在下列情况下不能适用：①有外来的物质或因素，如辐射防护剂、辐射增敏剂或氧效应等，影响了射线所致的原初损伤。第20页，共79页，2023年，2月20日，星期三②被照射的细胞不是均匀的，而是具有不同辐射敏感性的几种细胞的混合体。③照射后的代谢过程如修复作用或继发效应影响着所观察的生物效应大小。④在观察的生物效应出现以前，由于射线直接作用形成的靶分子自由基已经被“化学修复”二、辐射的种类及其与物质作用的特点电磁辐射:粒子辐射:本质是电磁波，只有能量而无静质量射线按本质分本质是高速运动的粒子流，有能量也有静质量第21页，共79页，2023年，2月20日，星期三（一）X射线和γ射线的特点都属于电磁波，但来源不同，X射线由原子核外的物理过程产生，γ射线是由原子核内的物理过程产生。（二）粒子辐射的特点氦原子核1.α粒子（αparticle）获取途径：可由一些放射性核素衰变出α粒子

行为特点：其质量大，运动缓慢，有足够时间在短距离内引起较多电离。当α粒子入射介质时，随着深度增加和更多电离事件的发生，能量逐渐被消耗，粒子变慢，慢速粒子又引起更多的电离事件，在其径迹末端，电离密度明显增大，形成布拉格峰第22页，共79页，2023年，2月20日，星期三每单位径迹长度所产生的离子对数称为“比电离”(spicificionization)或“线性电离密度”(linearinodensity)第23页，共79页，2023年，2月20日，星期三③粒子的速度控制着能量丧失的速度。快速运动的粒子的电离能力要比慢速运动的小。比电离依赖于粒子能量、电荷以及介质的密度和原子序数：①离子对产生的数目与粒子的原始能量成正比；②能量沿着径迹丧失的速度与粒子电荷的平方成正比，所以α粒子能量丧失的速度要比质子快；布拉格峰过后α粒子的能量减为0，丧失电离能力，此时粒子变为中性氦原子，生物组织比空气致密。α粒子在生物组织中只能移动几十微米，在短距离内释放全部能量，产生很高电离密度，引起严重的损伤，第24页，共79页，2023年，2月20日，星期三因而α粒子的辐射效应以内照射效应为主，其外照射效应可忽略。放射治疗时使用>20MeV的特快中子和负π介子照射组织，在组织中产生α粒子，对杀伤肿瘤细胞起着重要作用。2.β粒子或电子（βparticleorelectron）电子质量为9.109×10-31kg，接近介质原子时很容易被发生偏转。因此电子在被照物质中路径曲折，实际射程远小于径迹长度，在其径迹末端，由于能量逐渐消失，速度减慢，与介质原子作用机会增多，故电离密度增高。由于电子是成束入射的，不可能沿其径迹画出比电离曲线第25页，共79页，2023年，2月20日，星期三3.质子（proton）是原子核成分之一，质量为1.672623×10-27kg是电子的1836倍。质子是稳定粒子，平均寿命大于1032年。宇宙射线中质子成分占83.3%~89%。用质子加速器获得的高能质子速度快，穿透力强，其能量释放有一个布拉格峰，其在穿透径迹上只释放少量能量，到达肿瘤灶时会释放大量能量，因此对人体正常组织影响小，同时可用自动化技术来控制其能量释放的方向、部位和射程、是目前疗效最好、副作用最小的放射疗法。第26页，共79页，2023年，2月20日，星期三适用于肺癌、肝癌、前列腺癌、脊索瘤、鼻咽癌、子宫瘤、食管癌、淋巴瘤和眼癌等常见癌症的治疗。4.中子（neutron）也是原子核成分之一，质量为1.674928×10-27kg，比质子质量稍大。与带电粒子相比，在质量和能量相同的情况下，中子的穿透力较大。①放射性元素：在自然界中能发生自发衰变产生中子的只有锎()一种核素；它是首次得到的可携带的中子源。

获取中子的途径：第27页，共79页，2023年，2月20日，星期三②反应堆：或等核素如果用中子激发使其自发裂变产生中子；人们也常常把发生α粒子的粉末与Be粉末按一定比例混合，紧密地分装在容器内，用α粒子轰击Be原子核也能产生中子。③加速器：将氘束，加速到300keV，然后轰击氚靶，可产生14MeV的单能快中子。用核反应堆获得的中子能谱较宽，能量低(平均能量约1MeV)

，穿透力差，不能供放疗使用。而使用回旋加速器可将带正电的粒子如氘核，加速到兆伏的能量水平，产生高能量的中子，常被用于放射治疗。第28页，共79页，2023年，2月20日，星期三中子通过与受照物质的原子核作用传递能量，通常根据能量不同将中子分为如下几类：(1)热中子：能量0.5eV以下，他与周围介质达到热平衡，也称慢中子(4)特快中子：能量15MeV以上的中子(2)中能中子：能量0.5eV~10keV的中子(3)快中子：能量10keV~15MeV的中子中子和γ光子一样都是通过次级带电粒子引起受照物质的电离，不同的是中子只与原子核发生作用。第29页，共79页，2023年，2月20日，星期三5.负π介子（negativepoin）介子质量介于质子和电子之间，介子和重子都归属于强子基本粒子：包括π介子、K介子、ρ介子、ω介子(0、1、2)倍，即都是玻色子。介子都不能稳定存在，经历一定平均寿命后即转变为别种基本粒子。有的介子带电的，有的显中性。

π介子有三种，π+和π-质量为电子的273.3倍，电荷相反，互为正、反粒子，而π°是中性的，质量为电子的264.3倍，其反粒子就是它自身，π介子是核力的媒介。荷电K介子K+和K-互为正、反粒子，质量为966.7mc；中性K介子质量为976mc。π、K、η介子的自旋都是零，有时称为标介子。第30页，共79页，2023年，2月20日，星期三

π介子的辐射生物效应显著，其质量为质子质量的1/6，一般由加速器的高能质子与重金属原子核内中子碰撞而产生。负π介子通过组织时靠电离或激发损失能量，并在组织和介质中穿行一定距离后停止，射程长短取决于初始动能，负π介子快到组织末端时，可被组织中一个碳（氮或氧）原子核俘获，导致核衰变或碎裂成射程短，具有强电离能力的碎片，这些碎片呈现一个“星”状分布。故又称“星裂”，如：第31页，共79页，2023年，2月20日，星期三负π介子与其他带电粒子一样，可在其射程形成布拉格峰。根据负π介子的损伤特点，人们可将肿瘤组织至于射程末端电离密度较高的峰值区，而将正常组织置于电离密度小的前区，取得肿瘤的最大杀伤效果，同时尽可能减小对正常组织的损伤。第32页，共79页，2023年，2月20日，星期三某些原子核如碳、氮、硼、氖和氩原子被剥去或部分剥去外层电子后形成的带正电荷的原子核称为重离子，重离子均为直接电离粒子。6.重离子接近射程末端，吸收剂量迅速增大，形成布拉格峰。随着重离子原子序数增加，布拉格峰变得越来越窄，同时峰的高度也增加在重离子穿行的深度-剂量曲线上，入射坪区吸收剂量相对保持恒定，坪区长度取决于入射粒子的能量。第33页，共79页，2023年，2月20日，星期三用γ射线、质子束和重离子束(碳离子束)对肿瘤进行辐照治疗，其效果的比较可列于下表第34页，共79页，2023年，2月20日，星期三第35页，共79页，2023年，2月20日，星期三第二节传能线密度、相对生物效能与辐射敏感性(一)传能线密度（LET）也称线碰撞阻止本领1.概念产生的电离事件的空间分布差别也很大带电粒子由于电荷质量比不同运动速度不同1950年以前，常用线性电离密度来描述一些电离辐射的品质。这是指射线在一个单位长度射程中所产生的离子对数目。但是这只能对气体中才能产生的离子对数目进行合理准确的测量。第36页，共79页，2023年，2月20日，星期三传能线密度：指直接电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量，即带电粒子在物质中穿行dl距离时，与电子发生的能量损失dE

单位：J/m，一般用keV/μm表示1keV/μm=1.602×10-10J/mLET数学表达式：Zirkle等人于1952年提出了传能线密度(linerenergytransfer，LET)的概念。第37页，共79页，2023年，2月20日，星期三显然不同LET射线在DNA分子双螺旋引起的电离密度分布不同，LET高的射线，电离密度也大；反之则小。因此射线LET值越大，由相同吸收剂量产生的辐射生物效应也越大。由于带电粒子与径迹内分子或原子作用后损失掉大部分能量，这时再与组织或受照介质分子或原子作用后只能留下较少的能量，所以同一粒子在径迹不同部位的LET值也不同，LET仅是一个平均值。第38页，共79页，2023年，2月20日，星期三①将径迹分为若干相等的距离，计算粒子在每一段距离消耗的平均能量，称径迹平均传能密度（LETT）。2.LET均值的两种计算方法②将径迹分为若干相等的能量增量，计算能量或吸收剂量，再把沉积在径迹上的能量除以径迹长度，得到剂量平均传能密度（LETD）(二)相对生物效能(RBE)也称相对生物效应或相对生物效率用来比较相同吸收剂量下不同辐射作用于生物体产生生物效应的差异的物理量X射线应用广泛，故以它产生的生物效应作为比较基准。第39页，共79页，2023年，2月20日，星期三RBE的定义：以250keVX射线或固定能量的γ射线引发某种生物效应所需剂量与所研究的辐射引发相同生物效应(种类和程度均同)需要的剂量的比值。

RBE与LET呈正相关关系第40页，共79页，2023年，2月20日，星期三各种电离辐射的相对生物效应辐射种类相对生物效应辐射种类相对生物效应X、γ1快中子10β1α10热中子3重反冲核20中能中子5~8RBE可因照射剂量的时空分布、受照体系及所处环境、研究的生物效应终点不同而有所差异。X射线或γ射线、β粒子、热中子、中能中子、快中子、α粒子及重反冲核的相应生物效能列于下表第41页，共79页，2023年，2月20日，星期三(三)辐射敏感性(IRS)辐射敏感性是指各种生物有机体对辐射敏感的程度定义：某种辐射以相同的剂量作用于生物体，或作用于同一生物体，或作用于同一生物体的不同组织及细胞，由于生物体的差异造成产生的生物学效应不同，这两种生物效应的差异称为辐射敏感性。常用同种辐射引发不同生物产生相同生物效应所需的剂量的比值来表示。比较不同种系或同种生物不同个体辐射敏感性的指标常用以下的量表示：第42页，共79页，2023年，2月20日，星期三动物存活率或半数致死剂量(受照后30d内死亡50%所需的剂量)染色体畸变率细胞存活率克隆形成率辐射诱发的细胞凋亡率细胞周期阻滞及DNA双链断裂损伤程度

1906年，法国科学家Bergonie和Tribondeau发现，分裂的生精细胞所受损伤大于静止不分裂的间质细胞。第43页，共79页，2023年，2月20日，星期三染色体畸变所致的白血病染色体畸变所致顺时针方向，依次为3天、5天、6天大的人类克隆胚胎第44页，共79页，2023年，2月20日，星期三细胞形态学改变3株宫颈癌细胞经过60Co照射或顺铂作用后均出现细胞皱缩，体积变小，染色质斑块状聚集在核膜下，并有凋亡小体第45页，共79页，2023年，2月20日，星期三而BHRF1-CNE2细胞组在照射后两天细胞数下降，从第3天细胞数就开始回升，此后便保持持续的增殖60Co照射对b-CNE2增殖能力的影响：在照射后的第1天，对照组的细胞数较b-CNE2组的明显下降，在第2～4天其细胞数继续下降，此后增殖率才逐渐上升。第46页，共79页，2023年，2月20日，星期三DNA双链断裂第47页，共79页，2023年，2月20日，星期三他们在深入研究后提出了一条定律：组织辐射敏感性与其细胞的分裂活动成正比而与其分化程度成反比，即细胞组织辐射敏感性与其增殖和分化状态有关。后来，还发现细胞辐射敏感性与以下的因素有关：细胞种类细胞所处细胞周期时相细胞周期调控细胞内染色质结构和DNA构象辐射损伤的修复能力细胞对自由基的清除或耐受能力人们根据肿瘤细胞体外照射后的存活率、DNA断裂修复程度、细胞增殖状态来预测肿瘤细胞辐射敏感性，为肿瘤的放射治疗提供参考第48页，共79页，2023年，2月20日，星期三辐射敏感性可表现在生物体的不同层次，从种系、品系、组织器官、细胞、细胞器乃至生物大分子都存在辐射敏感性的差异。种系辐射敏感性与进化程度成正比，结构越复杂的生物体对辐射越敏感。脊椎动物中，哺乳类辐射敏感性高于鸟类、鱼类、两栖类和爬行类；哺乳动物中，人、狗、豚鼠辐射敏感性高于兔、大鼠、小鼠。生物个体发育的辐射敏感性规律是：随个体发育趋向成熟而逐渐降低，胚胎、幼体、成体的辐射敏感性依次降低。第49页，共79页，2023年，2月20日，星期三在个体发育的不同阶段，辐射敏感性的特点也有变化，胚胎组织属于高辐射敏感组织，所有胚胎细胞对辐射均较成年动物细胞敏感。胚胎植入前期、器官形成期和胎儿期胚胎及胎儿的辐射敏感性随着各种器官逐步发育成形和成熟而逐渐下降；日本原子弹爆炸流行病资料表明，胎儿辐射期敏感性低于器官形成期。老年动物（包括人）由于各种组织器官功能衰退，对体内自由基的清除能力、免疫能力及对外界不良刺激的综合反应能力均比中青年时期有所下降，故而辐射敏感性又有所提高。第50页，共79页，2023年，2月20日，星期三人类不同个体的辐射敏感性差异还与人体是否患特殊种类的遗传病有关。普通人群(人种相同)的个体辐射敏感性保持在一定水平，但因某些基因突变导致人患有特殊遗传病时，辐射敏感性就发生改变。特殊遗传病包括毛细血管扩张性共济失调综合征、着色性干皮病、布卢姆综合征、科凯恩综合征、范科尼贫血、视网膜母细胞瘤和Nijmegen染色体断裂综合征[(NBS)是一种极其罕见的常染色体隐性遗传病，表现为高辐射敏感性、免疫缺陷、发育不良、早衰、肿瘤易感性、小头畸形等]等，其共同特征是对辐射高度敏感，受照后易发生染色体或DNA单双链断裂，第51页，共79页，2023年，2月20日，星期三着色性干皮病,一种由于DNA修复基因缺陷引起的遗传性皮肤病。表现为皮肤光敏和早发性肉瘤毛细血管扩张第52页，共79页，2023年，2月20日，星期三视网膜母细胞瘤左眼视网膜母细胞瘤X线平片第53页，共79页，2023年，2月20日，星期三同一生物有机体内各种细胞和组织器官的辐射敏感性因其种类和生理功能状态不同而差异较大，Bergonie和Tribondeau提出的细胞组织辐射敏感性的定律将动物组织器官分为四类：1.高度敏感组织胃肠上皮（小肠肠腺上皮细胞）胸腺、胚胎组织造血淋巴组织（淋巴细胞）性腺（卵细胞、生精细胞）第54页，共79页，2023年，2月20日，星期三2.中度敏感组织上皮组织血管感觉器官（角膜、晶状体、结膜）淋巴管内皮细胞唾液腺和肝肾肺的上皮细胞心脏内分泌腺（包括性腺内分泌细胞）中枢神经系统3.轻度敏感组织第55页，共79页，2023年，2月20日，星期三骨如肌肉4.不敏感组织、、。软骨组织结缔组织、成年动物组织辐射敏感性与其功能状态密切相关。骨骼在正常情况下对辐射不敏感，但在骨折时长骨断裂，其中的黄骨髓细胞恢复增生，辐射敏感性随之增强同样，肝组织的细胞正常分裂很少，因车祸受损时分裂速度加快，辐射敏感性因之增强人体内各种细胞中，外周血淋巴细胞、卵母细胞及小肠肠腺上皮细胞的辐射敏感性最高。第56页，共79页，2023年，2月20日，星期三其中辐射所致人外周血淋巴细胞染色体畸变与照射剂量之间呈正相关关系，用染色体畸变率来推算人体受照剂量的方法，被称为人体天然携带的生物剂量计。细胞所处的周期时相与其辐射敏感性密切相关。通常细胞核的辐射敏感性高于细胞质细胞周期分裂间期有丝分裂期（M）DNA合成前期（G1）DNA合成期（S）DNA合成后期（G2）同一细胞内不同结构的辐射敏感性不同第57页，共79页，2023年，2月20日，星期三G2期和M期最敏感G1早期相对抗拒G1末期相对敏感S期最抗拒同一种细胞的群体中，处于不同时相的细胞辐射敏感性不同M期>G2期>G1期>S期第58页，共79页，2023年，2月20日，星期三第三节电离辐射对生物体作用的化学基础一、辐射与自由基等活性基团（一）自由基与活性氧

自由基是指能够独立存在、具有一个或多个未配对电子的原子、分子、离子或原子团。有些分子或原子团含有两个不成对电子，称为双自由基，如基态氧分子处于三线态（3O2），其自旋方向平行的两个电子处于不同能级，可分别于一个自旋方向相反的电子配对。自由基一般为电中性，如疏基自由基（RS-）和烷氧自由基（RO-）；但有些自由基带有正负电荷，称自由基离子，如NH3+，O2-。第59页，共79页，2023年，2月20日，星期三当用高能射线照射液态水时，电离出来的高能电子经频繁碰撞后，被水分子以氢键方式捕获形成水合电子。水合电子（hydratedelectron，eaq-）不完全符合自由基定义，但其电子配对能力较强，所以在放射防护中将其归入自由基一类。有机化合物受到电离辐射照射共价键会发生断裂，两个原子或基团均匀断裂称为均裂。热能和电磁辐射均能使共价键断裂均裂公式表示为：式中代表电子，代表A自由基和B自由基H2O可均裂产生氢自由基（）与羟自由基（）第60页，共79页，2023年，2月20日，星期三自由基的特点：具有高反应性、寿命短和顺磁性等特点，容易发生自由基与自由基反应、自由基与生物分子抽氢、加成、取代、过氧化和歧化等反应。自由基不稳定，寿命很短，如

的半寿期仅为10-10~10-9s，水合电子在中性水及碱性溶液中的半寿期分别为2.3×10-4s和7.8×10-4s。带负电荷的核外电子围绕原子核做自旋运动时会产生磁场和对应的磁矩。正常原子中成对电子在同一轨道上沿相反方向自旋，形成磁矩互相抵消，对外不显示磁性。第61页，共79页，2023年，2月20日，星期三自由基则不然，它只有一个电子，电子自旋运动产生自旋磁矩，若外加磁场，单电子的磁矩取向只能与外加磁场方向相反或平行，此即为自由基的顺磁性，根据顺磁性可对辐射诱发的自由基含量进行测定或分析。

活性氧（ROS）是指某些氧代谢或反应的产物，也可称为氧化中间产物（ROIs）

4.处于激发态的氧、单线态氧和羟基化合物。1.氧的单电子还原物，如O2-和O-，及HO2∙和HO∙。2.氧的双电子还原物H2O2。3.烷烃经过氧化物ROOH及其均裂产物RO∙和ROO∙。主要包括以下几类：第62页，共79页，2023年，2月20日，星期三较基态氧活泼，有些活性氧的不成对电子位于氧原子上，称为氧自由基；另一些活性氧不属于自由基，但可引发自由基反应。应当注意：氧自由基并非全是活性氧，如基态氧虽属氧自由基，但其化学活性低，不属于活性氧；相反，激发态的分子氧和单线态氧虽不是自由基，但其活性高，仍属于生物学意义的活性氧范畴。活性氧的性质：第63页，共79页，2023年，2月20日，星期三常见的具有生物活性的活性氧有：（1）单电子还原状态的超氧阴离子（O2-）（2）氢过氧基（HO2∙），为O2-质子化形式，脂溶性高（3）过氧化氢（H2O2），双电子还原态，由O2-（HO2∙）歧化而成，或由氧气直接形成（4）羟自由基（HO∙），为三电子还原态，如

2H2O2→HO∙

+HO-+HO2∙+H+（5）烷氧基（RO∙）自由基，如烷过氧基ROO∙等第64页，共79页，2023年，2月20日，星期三（二）NO和活性氮特性：NO在生物体内极不稳定，很容易被氧化成硝酸盐或亚硝酸盐；

NO及氮的其他氧化物或含氮的自由基(如亚硝酸根NO2∙、氧亚硝酸根ONOO-等)统称为活性氮，其中NO是研究得最多的活性氮。NO生物合成的调节可通过对底物、辅助因子、产物、催化反应的酶进行选择性干预。生物体内产生的NO是一种无色、微溶于水、脂溶性较强的气体分子，在生物体内可自由地通过生物膜。第65页，共79页，2023年，2月20日，星期三NO参与体内一系列生理和病理条件下的生物过程：调节循环、神经、免疫等生理活动，如血管扩张、血管通透性、血小板粘附和聚集、神经信号传递、宿主防御反应等同时也参与包括肿瘤在内的病理过程。（三）辐射与水分子的作用水分子占机体总质量的70%左右，主要分布于细胞内液和各种体液中，以结合水（与其他分子紧密结合）和游离水两种形式存在，对维持细胞和组织渗透压，溶解运输营养物和代谢废物、调节体温起着重要作用。第66页，共79页，2023年，2月20日，星期三辐射电离辐射致水分子自由基生成过程水分子受辐照必然影响其结合能力，影响溶解其中的生物活性分子、营养物质，产生遍及全身的整体效应。激发态水烃自由基氢自由基水合电子第67页，共79页，2023年，2月20日，星期三自由基和水合电子（eaq-）统称为水的原发辐射降解产物电离辐射与水的全部反应可以总结如下：H2OH·，HO·

，eaq-，H2，H2O，H2O2，H3O+，OH-（四）生物体的抗氧化体系人体内的自由基可由辐射诱导产生，也可由生物体或细胞有氧代谢生成。自由基在体内积累到一定量必然会造成机体损害。为了保护自身免受自由基氧化的伤害，需氧生物在进化过程中已经形成了完善的抗氧化体系，主要包括：抗氧化酶、脂溶性抗氧化剂、水溶性小分子抗氧化剂和蛋白质抗氧化剂等。第68页，共79页，2023年，2月20日，星期三抗氧化酶主要包括:过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)等。过氧化氢酶主要催化H2O2转变为H2O和O2，消除细胞内H2O2；过氧化物酶可清除某些过氧化物，但不能分解H2O2；

SOD不仅可清除体内的自由基，还可保护生物膜和造血干细胞，减轻辐射所致骨髓损伤和炎症反应，已经被用作辐射防护剂。除了上述抗氧化酶之外，生物体内还有不同的抗氧化剂，它们的具体类别及作用见表4-5。第69页，共79页，2023年，2月20日，星期三抗氧化酶与抗氧化剂构成了抗氧化体系，能有效清除代谢过程中产生的自由基的活性氧。二、自由基等活性基团对生物大分子的作用电离辐射可直接作用于核酸、蛋白质、脂质等生物大分子而造成结构损伤，如DNA分子碱基的破坏或脱落，单双链断裂，氢键破坏，磷酸基损伤，双螺旋结构中出现交联，核酸之间、核酸和蛋白质之间出现交联；蛋白质侧链改变、氢键与二硫键断裂，导致高度卷曲的肽链出现不同程度伸展、空间结构改变；脂肪、磷脂和类固醇分子化学键断裂等。第70页，共79页，2023年，2月20日，星期三电离辐射还可以通过与水分子作用，产生自由基等的见解物质使生物大分子受到损害，如细胞膜脂质过氧化；细胞蛋白质氧化、脱氢、结构变化、化学键断裂、失活，蛋白质交联和聚合；糖分子链断裂和失活；DNA、RNA的碱基结构破坏，单双链断裂等。(一)自由基作用的化学基础自由基可通过下列反应破坏生物大分子：1.抽氢反应（hydrogenabstraction）自由基可从有机分子C-H键中抽取氢原子，形成新的自由基，如

HO∙+RH→R∙+H2O，H∙+RH→R∙+H2第71页，共79页，2023年，2月20日，星期三2.加成反应（additionreaction）自由基可在烯键或芳香环中心加成，形成次级自由基，如

HO∙+R→ROH∙，H∙+R→RH∙3.电子俘获（electrocapture）eaq被有机分子俘获了引起后者损伤，如

eaq-+RSSR→RSSR-→RS∙+RS-引