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。