放射生物学中的辐射化学

第三讲

放射生物学中的辐射化学

（

Radiationchemistryinradiobiology）概

述（overview)电离辐射的生物效应是辐射粒子穿过介质的过程中发生的一系列现象的最终结果。辐射初始事件是指介质的原子和分子沿电离粒子径迹产生的电离和激发。

事件的次序及时间表Timescaleofradiation一、辐射作用的时间进程1、直接作用和间接作用2、电离辐射的原初作用过程射线直接将能量传递给生物分子，引起电离和激发，导致分子结构的改变和生物活性的丧失。射线对生物分子的作用是随机的，但生物分子在吸收辐射能量后所形成的损伤往往局限于分子的一定部位或者较弱的化学键上。这是由于在特定的分子结构中能量传递有一定的趋向和能量沉积不均匀所致。1）直接作用（directeffect）射线首先直接作用于水，引起水分子的活化和自由基的生成，然后通过自由基再作用于生物分子，造成它们损伤－间接作用早期阶段，直接作用占重要位置，但水自由基的间接作用引起的损伤不容忽视。2）间接作用（indirecteffect）Figure2.2.

DirectandindirecteffectsofX-andγ-rays.TheeffectonamoleculeofDNA

shownschematicallyontheleft,hasbeenchosenasanexample.TheindirecteffectisdominantforradiationsoflowLET.

Forhigh-LETradiation,directactionisthepredominantmechanismofDNAdamage.Whichoneismoredamaging?Bows&arrows原初作用过程包括物理、物理化学、化学、生物化学和早期生物学五个阶段。此过程中辐射能量的吸收和传递、分子的激发和电离、自由基的产生、化学键的断裂等，都是在生物体内进行的。2、电离辐射的原初作用过程3、电离辐射作用的时间进程大致分为：物理阶段：10-24S～10-12S化学阶段：10-12S～103生物学阶段：数小时～若干年4、早期辐射效应及其

修饰的可能性物理阶段（≤10-14S)

这个阶段的辐射效应主要是细胞中的水分子，无机和有机组分被激发，形成激发态和超激发态，或发生电离。只能事先从外部实行物理屏障，才能防止辐射生物效应的发生，化学预防无效。物理化学阶段（10-14～

10-12S)

此阶段化学损伤开始发生；正常代谢产生的自由基和酶的活性形式开始与辐射产生的活泼基团起反应。

生物系统→→Rn·(代谢）

生物系统→→Rr·(照射）

Rn·+Rr·→→异常产物

这时生物大分子中被破坏的S-H、N-H、O-H和C-H健可被细胞内已存在的巯基化合物部分修复，故照前引入外源性巯基化合物，可取得一定程度的防护效果。化学阶段（10-12～

10-3S)

DNA和RNA的损伤开始；酶的激活和灭活发生；细胞内巯基含量下降；脂质过氧化开始；因辐射损伤而产生的稳定和亚稳定的异常产物的毒性开始出现。细胞内正常存在的或于照射前给予的自由基清除剂或抗氧化剂可有部分防护作用.生物化学阶段（10-3～

10S)

许多正常生化反应受到干扰；DNA修复开始。此时许多辐射变化都可以用适当方法防止，照后治疗可以开始.早期生物阶段（数秒至数小时)

辐射次级反应生成的O2¯.的反应继续进行；照射细胞的有丝分裂延迟；生物大分子的损伤引起能量供应紊乱；生物合成的前体物质供应不足；细胞质膜、核膜被破坏；细胞的辐射生物效应开始出现。

辐射效应的防止或纠正措施同生物化学阶段

二、水的辐解

（Waterradiolysis）

1、水的原初辐解产物电离辐射作用于机体的水分子，使水分子发生电离和激发，产生自由基和分子。这种反应称水的辐解反应（radiolysisofwater)

各种自由基和分子统称水的原初辐解产物2、水辐解生成自由基的两种机理其一是水分子的电离其二水分子的激发。电离大致分为两个步骤：

1、水分子电离生成带正电荷的自由基H2O+和电子e-

H2O→H2O·+＋e-

H2O·+→H+＋·OH

2、水合电子的继发反应：与水合电子接近的水分子受其影响可分解为·OH和H·2e-水合＋H2O→·OH＋H·H2O激发H2O*H*+·OHH2OH2O·++e-+H2OH2O-H·+OH-H++·OH+H+H·+H2Oe-水合H2O

H·+·OH+e-水合+H2+H2O2+H3O+电离辐射电离

因此，水辐解的最初三种产物为：

H2O*,H2O·+

and

e¯,

进一步发生化学反应产生：

HO·,H·,and水分子的辐解反应（a)与自发性电离（b）水分子在电离辐射作用下分解为*OH和*H自由基；水分子自发性电离成OH-和H＋离子

游离的电子在碰撞过程中丧失其大部分能量，当其能量水平降至100eV以下而未被捕获时，可吸收若干水分子而形成水合电子

水合电子

（aqueouselectrons，eaq-）Schematic

diagramofaqueouselectrons刺团或团（spurorblob）水的原初辐射反应并非平均分布于空间，一般是在小的体积内成簇发生的，这种小的反应体积称为刺团（spur）或团（blob）。刺团（spur）平均半径为2nm，每个刺团内含有6个自由基（或3个离子对），能量100eV。反应时间10-12~10-10s。团（blob）在x、γ射线照射时出现频率低。平均半径为3.5nm，每个刺团内含有12个自由基（或6个离子对），能量100~500eV。三、自由基

（Freeradical）一）自由基的定义能独立存在的，核外带有一个或一个以上未配对电子的任何原子、分子、离子或原子团。表示方法：在原有原子或分子等符号的上角标以圆点“·”未配对电子：

即单独占据原子或分子轨道的电子。不同于带电荷的离子－可以带电荷，又可以是不带电荷的原子或分子1、高反应性哺乳动物由X-ray引起的DNA损伤中2/3是由OH·引起的。2、不稳定性3、顺磁性二）自由基的特点自由基的物理性质---顺磁性

顺磁性是自由基独特物理性质，也是采用顺磁技术对自由基进行检测和分类的基础。当电子成对存在于同一轨道，由于两个电子的自旋方向相反，各自的相应磁矩相互抵消，对外不显示磁性。如加以外磁场，单电子的磁矩取向就将顺应外加磁场的作用，采取与外加磁场向平行或反平行的方向，即具有顺磁性。

三）活性氧与氧自由基1、活性氧（activeoxygenspecies；reactiveoxygenintermediates，ROIs）

氧在生物体不断为生命活动提供能量,同时也产生一些次级产物，如HO·(羟自由基），这些

次级产物又可进一步衍生出一些活性物质，如脂质过氧化产物，这些氧的次级产物或衍生物具有较氧更活跃的化学性质，并可对机体造成损伤效应。

因此，从强调氧对机体不利一面的角度出发，将那些较氧的化学性质更为活跃的氧的代谢产物或由其衍生的含氧物质通称ROIsROIs包括1）氧的单电子还原物，如(超氧阴离子）和氧自由基，以及它们的质子型HO2·和·OH；2）氧的双电子还原物H2O23）烷烃过氧化物ROOH及其均裂产物RO·，ROO·4)处于激发态的氧、单线态氧和羟基化合物活性氧的相互转化、H2O2、HO·

是生物体内活性氧最主要的三种类型。化学性质的活跃程度依次为HO·>H2O2>，在生物体内三者可以通过金属离子介导或酶的催化反应而相互转变。由此，、H2O2

的性质虽然相对较弱，但都可产生出损伤能力较强的HO·

，因此对活性氧的防护，、H2O2的清除不容忽视。Figure1.Electronstructuresofcommonreactiveoxygenspecies.

四）自由基对生物分子的作用自由基化学反应的主要类型：

1）抽氢反应：自由基将有机分子中的H转移至自身，形成有机自由基。

HO·+RH→R·+H2OH·+RH→R·+H2

2)加成反应：自由基加入至不饱和有机分子中双键部位的反应

R·+A-CH=CH2→A-CH-CH2·R

3)电子俘获反应：e-aq被有机分子俘获引起后者的损伤。

e-水合＋RS*SR→RSSR-RSSR-→RS·+RS-

4)歧化反应：发生在自由基或自由基与有机分子之间的单电子转移反应。

O2-·+O2-·+2H+→H2O2+O2O2-·+H2O2→O2+·OH+OH-

5)还原反应：

O2-·在水溶液中主要起还原剂作用，如使细胞色素C还原

6）（过）氧化反应：自由基在有氧条件下使有机分子逐步氧化为过氧化物的反应。

A-H+HO·

→A·+HA·+O2

→AO2AO2+AH→A-OOH+A·

自由基对DNA的损伤

构成DNA的所有组件：碱基、戊糖和磷酸二酯键均可损伤。主要是·OH和H·。3N1N2456嘧啶环

（pyrimidinering）1N3N2654嘌呤环（

purinering）7N8NH2小结：

自由基化学反应性主要来自未配对电子，但也与自由基分子的其它结构部分有关。

大部分自由基化学性质异常活跃，但也有一些自由基由于结构上的特殊性所产生的空间效应或共振效应，掩盖了未配对电子，而使其反应性很低－稳定性自由基。自由基反应同样受温度、浓度、PH值等条件影响，如检测自由基，常采用超低温冰冻方法来抑制自由基的反应活性，使其保留时间延长。四、氧效应与氧增强比

（oxygeneffect&oxygenenhancementratio)一）氧效应（oxygeneffect）

概念

受照射的组织、细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧的浓度升高而增加它是放射生物学和放射肿瘤学的一个重要问题二）氧增强比

（oxygenenhancementratio，OER）1、概念

缺氧条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样效应所需辐射剂量的比值。衡量氧效应的大小(OER)

1)CultureCells(3)Countcellsinhemocytometer4)irradiateunderoxicorhypoxicconditions0Gy2Gy4Gy6Gy5)Platecellsandgrowforabout12days........6)CountcoloniesDose(Gy)S.F.0246810

1.00.10.01oxichypoxic2)SuspendCellstrysinization)1)CultureCells1)CultureCells2)SuspendCellstrysinization)1)CultureCells3)Countcellsinhemocytometer2)SuspendCellstrysinization)1)CultureCells4)irradiateunderoxicorhypoxicconditions3)Countcellsinhemocytometer2)SuspendCellstrysinization)1)CultureCells5)Platecellsandgrowforabout12days4)irradiateunderoxicorhypoxicconditions3)Countcellsinhemocytometer2)SuspendCellstrysinization)1)CultureCellsPhysicalDose≠BiologicalDose6)Countcolonies5)Platecellsandgrowforabout12days4)irradiateunderoxicorhypoxicconditions3)Countcellsinhemocytometer2)SuspendCellstrysinization)1)CultureCells502、OER&LETOER的值在2～3之间，随剂量的增加而增加。低-LET辐射氧效应很明显高-LET辐射无氧效应(OER=1)为什么?51Low-LETradiationLowDoseAssay,OER=2.5HighDoseAssay,OER=3.50.010.10.70.90.81.01.0501.51.030102015252.000.53.02.5Dose(Gy)Dose(Gy)AeratedAeratedHypoxicHypoxicSurvivingFraction52OtherRadiationsandtheOER0.0010.01Dose,Gy0.10.011.01.02.003.0Dose,Gy

particles0.001OER=1.00.11.00624OER=1.615MeVNeutronsHypoxicAeratedHigh-LETradiationOERLET(keV/

m)RBE100010010102468RBE0.101234OER三）氧浓度对氧效应的影响有氧条件下细胞放射敏感性增高氧分压从0上升至1％，放射敏感性迅速增加增至21％或至100％时，敏感性处于坪值55RadiosensitivityandO2ConcentrationO2levels20%normal16%dizziness10%immediateunconsciousness2-4%is~plateau~0.5%oxygendoubleseffectDoesn’ttakemuchforimpact56O2ConcentrationEffectsBacteriaandmammaliansystemsshowsimilareffectsA:210,000ppm(air)B:2200ppmO2C:355ppmO2D:100ppmO2E:10ppmO20.11000624Dose(krad)0.011010.001ABCDESurvivingFractionChinesehamstercellsPhotons四）照射时间对氧效应的影响照射前引入氧，表现出氧效应照射后引入氧，无效照后充氧，在一定条件下有一定保护作用Oxygenwasfoundtobemosteffectivewhenadministeredsimultaneouslywiththeradiation;oxygenadministeredeitherbeforeorafterdidnotproducedthesameresponse.五）氧效应的发生机制1、氧固定假说

这个假说认为电离辐射在靶分子中诱发了自由基。如果在照射的当时靶分子附近存在着氧，那么，这些辐射引起的自由基将迅速与氧结合，形成一个妨碍靶分子生物功能的基团。R•R辐射O2ROO•

许多由·0H、H·、e-aq等诱导的靶分子自由基的寿命是极为短促的，在照射前或照射当时就必须有氧存在以便有效地与自由基起反应，使辐射损伤固定下来。据估计，氧固定往往发生在照射后10-9～10-8内。如果那时氧不存在，靶分子的自由基即可能迅速通过“化学修复”，转变为具有正常生物活性的分子。在氧固定、自由基衰变和内源性化学修复之间存在着竞争。2、电子转移假说

辐射→靶分子→游离电子（两种可能）

回到靶分子原位→自愈转移到一个电子陷阱部位→靶损伤第二种情况：氧能与这些游离电子反应，防止其重新回到原位而是靶分子的损伤固定和加重。五、生物抗氧化防御功能—机体自身清除自由基系统

抗氧化酶（antioxygenenzymes）为着自身保护的需要，生物在进化中形成了一系列清除自由基的酶类。由于提到自由基总是联系到氧，以及自由基损伤主要表现为氧化作用，故清除自由基的酶类统称抗氧化酶。种类超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶和非特异性过氧化物酶（CAT），硒谷胱甘肽过氧化物酶（SeGSHPx)，磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶(PHGSHPx)，谷胱甘肽转硫酶

脂溶性抗氧化剂维生素E、类胡萝卜素、泛醌

水溶性小分子抗氧化剂维生素C（抗坏血酸）、谷胱甘肽

蛋白性抗氧化剂铜蓝蛋白六、电离辐射生物效应及其影响的主要因素

一、辐射生物效应和放射敏感性辐射生物效应（radiationbiologicaleffects）电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体的分子、细胞、组织和器官所造成的形态结构和功能的变化。包括确定性效应（deterministiceffect）和随机效应（stochasticeffect）确定性效应（deterministiceffect）电离辐射作用后，若某一组织中损失的细胞数足够多，而且这些细胞又相当重要，将会造成可观察到的损伤，主要表现为组织或器官功能不同程度的丧失。剂量很小时，产生的损伤概率为零。超高阈值以后，损伤程度随剂量的增加而加重。随机性效应（stochasticeffect）

当机体受到辐射后，一些细胞受损死亡，另一些细胞发生了变异而不死亡，有可能形成一个变异的子细胞克隆。当机体防御功能不健全时，经过不同的潜伏期，由一个变异的但仍存活的体细胞生成的这个细胞克隆可能导致恶性病变---癌。这种发生概率随照射剂量增加而增加，而严重程度与照射剂量无关，不存在阈剂量效应。确定性效应（deterministiceffects）随机性效应（stochasticeffects）

确定性效应与随机性效应的比较有剂量阈值（Dosethresholdvalue）无剂量阈值效应的严重程度与剂量成正比发生几率与剂量成正比严重程度与剂量无关确定性效应与随机性效应剂量剂量几率严重程度阈值随机性效应确定性效应？遗传效应（hereditaryeffects）---发生在受照者后代身上的效应辐射导致细胞变异，若这种变异发生在生殖细胞（精子或卵子），其基因突变的信息会传给后代，产生的损伤效应即遗传效应躯体效应（somaticeffects）辐射对受照个体身上的损伤效应。1.）躯体效应（somaticeffects）

躯体细胞死亡，损伤细胞消失，不会遗传到下一代。对细胞的灭活作用电离辐射对机体的损伤2）遗传效应（geneticeffect）由生殖细胞的变异引起辐射照射引起的遗传效应没有特异性迄今没有人类资料肯定辐射所致遗传效应的发生放射敏感性（radiationsensitivity）细胞对辐射的反应灵敏与否。细胞辐射敏感性高意味着细胞反应性灵敏，产生生物效应大；反之，意味着细胞对辐射抗性大，灵敏性差，产生的生物效应低或损伤小。FromZeman,2000一）辐射增敏剂（radiosensitizer）（1）定义：能够增加机体或细胞的放射敏感性，在与射线合并应用时能增加照射致死效应的化学物质（2）几类辐射增敏剂1、DNA前体碱基类似物2、乏氧细胞增敏剂；如：硝基咪唑类3、巯基抑制剂4、类氧化合物其他甲氧甲基硝基咪唑乙醇（misonidazole）或米索硝唑米索硝唑米索硝唑PimonidazolestainingofhumanCRCtumorPimonidazolestainingofhumanCRCtumor二）辐射防护（radioprotectors）

1、定义机体或某一生物系统受电离辐射照射前后，早期给予某种化学物质能减轻其辐射损伤，促进其恢复，具有这种功能的化合物称为辐射防护剂

2、常见的防护剂巯基类化合物、雌激素类、中药等Over4000compoundstested-thesethreeareprominent:WR-638,orcystaphos:DRF=1.6over7d,2.1over30dWR-2721,oramifostine:DRF=1.8over7d,2.7over30dWR-1607,ord-CON.Marketedasratpoison.LD50(半致死剂量）：

将引起被照射机体死亡50％时的剂量称LD50衡量机体放射敏感性的参数LD50数值越小，放射敏感性愈高如LD50/30：代表30日内引起50％死亡的照射剂量；下标的数值表示死亡发生的平均日数十日法则

除了医疗指征绝对必须以外，对育龄妇女下腹部的X射线检查都应当在月经期第一天算起的10天内进行，这样可避免对妊娠子宫的照射，即使是小剂量的辐射作用也应完全避免。Question:1. Thelifetimeofradicalsintargetmoleculesisabout10-3secs10-6secs10-9secs10-12secs#2–freeradicalsarehighlyunstableandreactive2. Whichofthefollowingi