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第三章电离辐射生物学效应--第一节电离辐射对生物大分子的作用

来源:核、化学武器损伤 作者: 2006-1-13

摘要: 第三章电离辐射生物学效应 电离辐射将能量传递给有机体引起的任何改变,统称为电离辐射生物学效应(ionizing radiation biological effect),人类的放射损伤是一种严重的病理性辐射生物效应。 第一节电离辐射对生物大分子的作用 一、电离辐射对生物大分子作用的基本原理 生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质的基础。而......


第三章 电离辐射生物学效应

  电离辐射将能量传递给有机体引起的任何改变,统称为电离辐射生物学效应(ionizing radiation biological effect),人类的放射损伤是一种严重的病理性辐射生物效应。

第一节 电离辐射对生物大分子的作用

  一、电离辐射对生物大分子作用的基本原理

  生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质的基础。而生物分子损伤与自由基生成密切相关。自由基(free radical)是指一些独立存在的、带有一个或多个不成对电子的原子、分子、基团或离子。自由基是最大特性是化学不稳定性和高反应性,寿命很短,·OH(氢氧自由基)的平均寿命为10-9~10-8s,生物分子自由基也多在10-6~10-4s之间。

  1.生物分子自由基的生成:有两种方式:

  (1)直接作用:电离辐射直接引起靶分子电离和激发而发生物理化学变化,生成生物分子自由基,如:

  T为电离辐射作用的靶分子,T+和T*为电离产生的正离子自由基和激发形成的激发态分子。正离子自由基分解生成生物分子、中性自由基T·和离子;激发态分子解成两个自由基T·和H·。

  (2)间接作用:电离辐射作用于生物分子的周围介质(主要是水)生成水射解自由基,这些自由基再与生物分子发生物理化学变化生成生物分子自由基,称次级自由基。水辐射分解见图3-1。

 

图3-1 水辐射分解生成自由基简图

  水辐射分解生成的自由基与生物分子作用:

  

  2.生物分子损伤与修复:生物分子自由基生成后迅速起化学反应,两个自由基不配对电子相互配对,或是不配对电子转移给另一个分子,造成分子化学键的变化,引起生物分子破坏。自由基反应能不断地生成新自由基,继续与原反应物起反应,形成连锁反应,使生物分子损伤的数量不断扩大,直到出现歧化反应(dismutation),生成两个稳定分子。

  被损伤的生物分子,可以通过各种方式进行修复。在自由基反应阶段(10-5s内)若介质中存在能供氢的分子,如含巯基化合物(谷胱甘肽G-SH等),则生物分子自由基可被修复,称化学修复。

  在有O2情况下,生物分子自由基被氧化成超氧自由基而难以修复。这可用以解释氧能增强辐射效应的原理。

  二、电离辐射对DNA的作用

  DNA是细胞增殖、遗传的物质基础,是引起细胞生化、生理改变的关键性物质。DNA是电离辐射作用的靶分子,在细胞辐射损伤中起重要作用。

  (一)DNA分子损伤

  1.碱基变化(DNA base change):有下列几种:(1)碱基环破坏;(2)碱基脱落丢失;(3)碱基替代,即嘌呤碱被另一嘌呤碱替代,或嘌呤碱被嘧啶碱替代;(4)形成嘧啶二聚体等。4种碱基的辐射敏感性依次为T>C>A>G。

  2.=DNA链断裂(DNA molecular breakage):是辐射损伤的主要形式。磷酸二酯键断裂,脱氧核糖分子破坏,碱基破坏或脱落等都可以引起核苷酸链断裂。双链中一条链断裂称单链断裂,两条链在同一处或相邻外断裂称双链断裂(doublestrand breaks)。双链断裂常并发氢键断裂。双链断裂难以修复,是细胞死亡的重要原因。

  3.DNA交联(DNA cross-linkage):DNA分子受损伤后,在碱基之间或碱基与蛋白质之间形成了共价键,而发生DNA-DNA交联和DNA-蛋白质交联。嘧啶二聚体即是一种链内交联,还可发生链间交联。图3-2是DNA分子各种损伤的示意图。

图3-2 电离辐射对DNA分子的损伤

  (二)DNA合成抑制

  DNA合成抑制是一个非常敏感的辐射生物效应指标,受0.01Gy照射即可观察到抑制现象。小鼠受0.25~1.25Gy γ线全身照射3小时后,3H-TdR掺入脾脏DNA的量即明显下降,下降程度与照射剂量成正比。照射后DNA合成抑制与合成DNA所需的4种脱氧核苷酸形成障碍、酶活力受抑制、DNA模板损伤、启动和调控DNA合成的复制子减少,以及能量供应障碍等都有关。

  (三)DNA分解增强

  在DNA合成抑制的同时,分解代谢明显增强。原因可能是辐射破坏了溶酶体和细胞核的膜结构,DNase释放直接与DNA接触,增加了DNA的降解。在一定剂量范围内,降解的程度决定于照射剂量。照射后DNA代谢产物尿中排出量明显增多。

  三、电离辐射对蛋白质和酶的作用

  (一)分子破坏

  蛋白质和酶分子在照射后可发生分子结构的破坏,包括肽键电离、肽键断裂、巯基氧化、二硫键还原、旁侧羟基被氧化等,从而导致质蛋白质发子功能的改变。

  (二)对合成的影响

  辐射对蛋白质生物合成的影响比较复杂,有的被激活,有的被抑制,有的呈双相交化,即先抑制而后增强。在血清蛋白方面,照射后血清白蛋白和γ球蛋白含量下降,而α和β球蛋白含量升高。虽然血清蛋白质成分有升有降,但蛋白质净合成是下降的。

  (三)分解代谢增强

  照射后蛋白质分解代谢增强是非常显著的,主要是许多蛋白质水解酶活力增加。如照射后由于溶酶体被破坏,组织蛋白酶释放,活力明显增加,促使细胞内和细胞外蛋白质分解增强。同时,照射后机体摄取食物减少,加剧了蛋白质分解代谢,释出大量游离氨基酸。一部分生糖氨基酸通过糖异生作用转化为葡萄糖,一部分代谢为尿素或其它非蛋白氮,整个机体处于负氮平衡状态。尿中氨基酸及其代谢产物如牛磺酸、肌酸、尿素等排出量增多。


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