2009生物物理学讲义.doc

生物物理学讲义参考教材：袁观宇主编，生物物理学，科学出版社，2006年4月第1版第一章 分子生物物理分子生物物理学是运用物理学理论与技术来研究生物大分子（蛋白质、核酸、多糖和脂质）的结构及其构象变化、分子内部以及大小分子间的相互作用、生物体系中的能量状态等，以便理解生物大分子特定生物学功能的分支学科。1.1 蛋白质分子的结构和功能蛋白质功能的多样性：是生命活动的物质基础，是细胞和生物体的重要组成成分（生物膜上的蛋白质、胶原纤维），催化新陈代谢中的绝大部分化学反应（淀粉酶），运动（肌球蛋白、肌动蛋白），运输（血红蛋白、细胞色素c传递电子），调节（胰岛素），调控（阻遏蛋白），接受和传递信息（受体），防御（免疫球蛋白），贮藏（卵清蛋白）等。1.1.1 蛋白质的化学组成蛋白质的元素组成：主要含C、H、O、N（平均为16%，这是凯氏定氮法测定蛋白质含量的依据）、S五种；有些蛋白质含P、Fe、Cu、I、Zn、Mo等。1.1.2 蛋白质的基本结构单位氨基酸天然氨基酸有100多种。用于构成蛋白质的氨基酸只有20种，除脯氨酸外，其余19种氨基酸都是-氨基酸（即与-COOH相连的-碳原子上连接有-NH2）。除甘氨酸外，其余19种氨基酸的-碳原子均为手性碳原子，因此具有旋光性（即使偏振光平面旋转），从构型来看都是L-氨基酸。氨基酸在不同pH条件下，所带电荷不同。氨基酸可在阴离子、两性离子（兼性离子）和阳离子三种形式之间转变。调节溶液的pH，使氨基酸所带正负电荷数目相等，此时溶液的pH称该氨基酸的等电点（pI）。在同一pH条件下，不同氨基酸（或者由氨基酸构成的蛋白质）所带电荷要么相同、要么不同，但不同氨基酸（蛋白质）的体积终究有差异，在同一电场中，其泳动速度有不同，这就是电泳的基本原理。根据R的极性将氨基酸分为非极性氨基酸（Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Phe、Trp、Pro）和极性氨基酸。极性氨基酸又按pH6-7条件下所带电荷分为极性不带电荷氨基酸（Ser、Thr、Cys、Tyr、Gln、Asn）、极性带负电荷氨基酸（Asp、Glu）、以及极性带正电荷氨基酸（His、Lys、Arg）。1.1.3 蛋白质的性质分子量：10000-1000000 Da以上。其水溶液具有胶体溶液的性质（布朗运动、丁道尔现象、不能透过半透膜）。易受理化因素的影响而变性。在不同pH条件下，所带电荷不同。可在阴离子、两性离子（兼性离子）和阳离子三种形式之间转变。种类繁多，形态各异，根据形状可分为球状蛋白（血红蛋白）和纤维状蛋白（纤维蛋白）。根据组成可分为简单蛋白（球蛋白）和结合蛋白（糖蛋白）。1.1.4 蛋白质的空间构象肽键（-CO-NH-），肽链，氨基酸残基。蛋白质由一条或一条以上肽链构成。蛋白质的一级结构主要指氨基酸的连接顺序和二硫键的连接部位。蛋白质的空间构象包括二级结构、超二级结构、结构域和三级结构，有些还包括四级结构。蛋白质的二级结构是肽链沿一定方向折叠而成的规律性结构，有-螺旋、-折叠、-转角等。-螺旋：绝大多数为右手螺旋，每圈螺旋含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54 nm，它的链内氢键在一个残基的亚氨基H和N端第4个残基的羰基O之间形成。-折叠：主链锯齿形，在肽链间或肽段间形成氢键。分平行式和反平行式两种类型。-转角：它的链内氢键在一个残基的亚氨基H和N端第3个残基的羰基O之间形成。超二级结构是指在肽链内邻近的二级结构通过折叠而靠近，组合而成的规则的二级结构聚集体，如、Rossman折叠、发夹、曲折、希腊钥匙拓扑结构等。结构域是指在肽链内邻近的超二级结构紧密联系在一起构成的结构和功能相对独立的单位。蛋白质的三级结构是指一条肽链折叠形成的总三维结构。蛋白质的四级结构是指多亚基蛋白质内各亚基之间的空间关系。1.1.5 蛋白质结构与功能的关系一级结构相似，空间构象和功能基本相同（胰岛素）。也有一级结构差别很大，但空间构象基本相同，功能基本相同（血红蛋白）。空间构象的改变导致功能发生相应的改变（蛋白质的变性、别构蛋白质-血红蛋白）。1.2 核酸分子的结构及其空间构象1.2.1 核酸的基本化学组成 组成核酸的元素有C、H、O、N、P（9-10%，可测定P含量来测定核酸的量）等。基本单位是核苷酸。核苷酸由核苷和磷酸构成。核苷由戊糖和碱基构成。1.2.2 核酸的基本结构单元核苷酸由于戊糖有脱氧核糖和核糖之分，构成的核苷分为脱氧核糖核苷和核糖核苷，构成的核苷酸分为脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸，构成的核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。碱基分为嘌呤碱（G、A）和嘧啶碱（C、U、T）两类。戊糖的C1 通过糖苷键与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9连接形成核苷。核苷中戊糖的-OH通过酯键与磷酸连接形成核苷酸。1.2.3 核酸的空间构象核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成核酸，核苷酸的排列顺序称为核酸的一级结构。（一）DNA的空间构象DNA的二级结构B-DNA双螺旋的特点：两条核苷酸链均为右手螺旋，每一螺旋圈含10.4个核苷酸，直径2.37 nm，螺距3.32 nm，反向平行，互相缠绕。磷酸和核糖构成骨架，位于外侧，与纵轴平行。碱基位于内侧，与纵轴近乎垂直（碱基对与中心轴的倾角为1），A与T、G与C形成氢键，互补配对。大沟宽而深，小沟窄而浅。在相对湿度为92%时，DNA为B-DNA。当相对湿度降为75%以下或在溶液中加入乙醇时，B-DNA可转变成A-DNA。A-DNA与B-DNA的不同之处：螺体粗而短，每一螺旋圈含11个核苷酸，直径2.55 nm，螺距2.46 nm，碱基对与中心轴的倾角为19。Z-DNA与B-DNA的不同之处：螺体细而长，每一螺旋圈含12个核苷酸，直径1.84 nm，螺距4.56 nm，碱基对与中心轴的倾角为9。左手螺旋，磷酸基在骨架上的排列呈Z字形，只有大沟，无小沟。DNA的三级结构DNA双螺旋的中心轴进一步弯曲缠绕形成超螺旋等形式的结构。（二）RNA的空间构象RNA的二级结构RNA单链回折，部分碱基配对成功，形成局部的反平行右手双螺旋，形似A-DNA，不能配对的部分则形成环。tRNA的二级结构大多呈三叶草形，由4个双螺旋和4个环构成。RNA的三级结构tRNA的三级结构大多呈倒L形。1.2.4 核酸的性质在中性或偏碱性条件下，核酸解离成阴离子，在电场中向阳极迁移，这就是电泳的基本原理。由于碱基具有共轭大键，使核酸在240-290 nm的紫外波段内具有吸收特性，最大吸收在260 nm处。加热、极端的pH、有机溶剂、酰胺、尿素等可使核酸的双链之间的氢键断裂，但链内的3,5-磷酸二酯键并不断裂，转变为单链状态，称变性。此时，碱基外露，紫外吸收增加，称增色效应。DNA的热变性发生于很窄的一个温度范围内。DNA的双螺旋结构失去一半时的温度称DNA的熔解温度（Tm）。G-C碱基对的含量越高，Tm越高。溶液中离子强度低，Tm低，热变性发生的温度范围宽；溶液中离子强度高，Tm高，热变性发生的温度范围窄。所以，通常用高离子强度的溶液保存DNA。变性后，互补的两条单链或单链内互补的片段形成双螺旋的过程称为复性。此时，紫外吸收减少，称减色效应。1.3 生物大分子的相互作用1.3.1 强相互作用指共价键，稳定生物大分子的一级结构。1.3.2 弱相互作用指氢键、范德华力、疏水作用、盐键等，稳定生物大分子的空间构象。广义的范德华力包括永久偶极-永久偶极相互作用（氢键实际上也属于此类）、永久偶极-诱导偶极相互作用、瞬时偶极-瞬时偶极相互作用（狭义的范德华力）。疏水性分子或基团有避开水而相互靠近的趋势，称疏水作用。1.4 生物大分子的能态和能量的转移分子的能量：E = E0 + E电 + E振 + E转 + E核 + E平上式中各符号分别表示分子的总能量、无运动分子的能量、电子能、振动能、转动能、核自旋能、平动能。E电、E振、E转、E核4种能量都有量子能级。当入射光子的能量正好等于某一种能量的一个能级差时，分子就能吸收光子的能量，产生吸收光谱。电子能的能级差最大，相应的吸收光谱出现在紫外和可见波段。振动能的能级差较大，相应的吸收光谱出现在中红外波段。转动能的能级差小，相应的吸收光谱出现在远红外和微波波段。核自旋能的能级差较小，相应的吸收光谱出现在无线电波波段。平动能最小，是连续变化的，非量子化的，不产生吸收光谱。蛋白质和核酸均含有大量的共轭双键，在200-300 nm的紫外波段有强烈的吸收，常用于测定其纯度和含量。在240-300 nm波段的入射光照射下，三种芳香族氨基酸的紫外吸收光谱和荧光发射光谱的特征如下表：氨基酸(H2O, pH7)紫外吸收荧光发射max (nm)max ( 103)max (nm)相对荧光强度Phe2570.22820.5Tyr2741.43039Trp2805.6348100第二章 膜生物物理生物膜的功能：区间化（是细胞与环境、细胞与细胞、细胞内各部分之间的边界，避免干扰），控制物质的跨膜运输，参与信号传递、能量转换等。2.1 生物膜的组成及其性质组成包括脂质、蛋白质、糖类。脂质：磷脂（甘油磷脂和神经鞘磷脂）、糖脂（脑苷脂、神经节苷脂和ABO血型糖脂）、固醇（胆固醇）。蛋白质：周边蛋白、内在蛋白。糖类：大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在结构和功能上具有多样性，参与细胞间的识别。在脂双层的内外两侧，脂类和蛋白质的分布均有差异，称为膜结构的不对称性，这决定了其功能也具有不对称性。2.2 生物膜的分子结构和功能2.2.1 生物膜的结构模型脂质双分子层模型：1925年Gorter和Grendel从红细胞质膜的研究中提出质膜的基本结构是脂双层。三明治模型：1935年Danielli和Davson提出细胞膜是由脂双层及其内外表面附着的蛋白质组成，脂类分子平行排列与膜平面垂直，其非极性端相对，极性端朝膜的内外表面，在内外表面均有一层蛋白质通过静电作用与脂类的极性端结合。单位膜模型：1959年Robertson提出所有的生物膜都由蛋白质-脂质-蛋白质的单位膜构成。流动镶嵌模型：1972年Singer和Nicolson提出膜是流动的，有的膜蛋白镶嵌在膜的内外表面，有的膜蛋白则嵌入或横跨脂双层。2.2.2 生物膜的流动性膜脂的流动性：脂肪酸链越短、不饱和程度越高，膜脂的流动性越大。膜脂分子的运动方式有侧向扩散、旋转运动、摆动运动、伸缩振荡、翻转运动、旋转异构。膜蛋白的运动性：有两个实验可证明膜蛋白能作侧向扩散。I. 细胞融合实验小鼠细胞 + 发绿光荧光素标记的小鼠细胞膜蛋白抗体 发绿光的小鼠细胞；人细胞 + 发红光碱性蕊香红标记的人细胞膜蛋白抗体 发红光的人细胞；发绿光小鼠细胞 + 发红光人细胞 + 灭活的仙台病毒 半绿半红的杂交细胞；37C、40 min 绿红均匀的杂交细胞。II. 光漂白荧光恢复技术单价荧光抗体标记膜蛋白；激光束“漂白”；“漂白”区的荧光强度逐渐恢复。膜蛋白还能作旋转运动。膜蛋白若与细胞骨架结合，其运动将受限制，不能自由运动。膜脂流动性降低，将减少内在膜蛋白与膜脂的接触面积；膜脂流动性增加，将增加内在膜蛋白与膜脂的接触面积。因此，膜脂流动性的变化会影响内在膜蛋白的构象和功能。膜流动的生理意义：在一定范围内，膜的流动性增加，膜上酶的活性增加。与物质运输、信号传递（影响受体侧向扩散）、老化（随着年龄增大，膜中饱和脂肪酸含量增高，膜的流动性降低）有关。第三章 辐射生物物理这里说的辐射是指电离辐射，量子能量高达104 - 106 eV。电离辐射：辐射能使物质的原子失去或者获得电子而成为离子，辐射能沉积于物质中，导致物质损伤、分子结构改变或引起核变化。辐射生物物理就是研究电离辐射对生物系统作用的学科。电离辐射的生物学效应具有双重性：能致癌又能治癌；能引起基因突变又能诱导生物系统修复其DNA损伤，能破坏核酸和蛋白质的结构，抑制其合成，引起膜损伤、酶失活，抑制细胞分裂，甚至导致细胞和机体死亡，又能刺激核酸和蛋白质的合成，提高酶活性，加速细胞分裂，促进生物的生长发育。3.1 辐射的物理基础AZ3.1.1 辐射的基本概念原子，原子核、电子，质子、中子。 X表示一种元素，式中X是元素的缩写，A表示原子的质量数，即质子数和中子数之和，Z表示质子数，即原子序数。同位素：质子数相同但中子数不同，化学性质相同的原子。核素：质子数和中子数均相同的原子。放射性核素：能自发地放出射线（、X射线）或自发裂变，同时变成另一种核素，具有一定的半衰期（T1/2，一半数量的原子发生衰减所需的时间），其衰变服从指数衰减规律（N = N0et，为衰变常数，当N = 1/2 N0时，t为T1/2，不难求出T1/2 0.693/）。电离辐射分为直接电离辐射：由带电粒子如正电子、负电子、质子、粒子、重离子等组成的辐射，可直接引起物质电离。间接电离辐射：由中性粒子如中子、射线、X射线等组成的辐射，必须与物质相互作用产生上述带电粒子后才能引起物质电离。3.1.2 辐射源天然辐射源：宇宙射线（从太阳和星际空间射向地球的高能粒子，约85%的质子、14%的粒子、1%的重离子，海拔高、纬度高，射线强）、环境（土壤、岩石、空气、水、食物、建筑材料）中的放射性元素。人工辐射源：核电站、带电粒子加速器、核武器、工业探伤、育种和保鲜、诊断和治疗、实验室、核爆炸产物、放射性废物。3.1.3 辐射量的概念和单位放射性活度：单位时间内发生衰变的数目，单位Bq，1 Bq = 1 s1。照射量：X或射线在单位质量的空气中释放的电子全部被空气阻止时，产生的所有离子电荷的总和，单位C kg1。照射量率：单位时间内的照射量，单位C kg1 s1。吸收剂量：单位质量的物质吸收的电离辐射的能量，单位Gy，1 Gy = 1 J kg1。吸收剂量率：单位时间内的吸收剂量，单位Gy s1即J kg1 s1。剂量当量：吸收剂量与品质因子的乘积，单位Sv，1 Sv = 1 J kg1。剂量当量率：单位时间内的剂量当量，单位Sv s1。传能线密度：带电粒子在物质中穿行单位长度路径时，向物质转移的能量，单位J m1。3.2 辐射与物质的相互作用3.2.1 粒子与物质的相互作用粒子：即He原子核，由2个质子和2个中子构成。与物质的相互作用主要是电离效应，即粒子与物质的电子发生碰撞，将能量转移给电子，产生自由电子和正离子。激发。引起核反应：轰击Be、B、F、Li等轻原子可释放出中子。粒子：当原子核内1个中子转变为1个质子时，释放出1个 电子；当核内1个质子转变成1个中子时，释放出1个+ 电子。 电子和+ 电子统称粒子。电离和激发。散射即与物质作用后电子能量降低且方向改变。产生轫致辐射即粒子的部分能量转变为电磁辐射。产生X射线即粒子击出物质原子的内层电子时，外层电子回落至内层，其能量以X射线形式发射。中子：是不带电荷的粒子，与原子核外的电子几乎不发生作用，主要与原子核作用。俘获反应：中子被物质的原子核俘获，形成的复合核不稳定，可能释放射线、质子、射线、或使核裂变。弹性散射：中子与物质的原子核碰撞并将能量传递给后者，物质原子核的质量与中子的质量越接近，中子丧失的能量就越多，因此常用含H的物质屏蔽中子。非弹性散射：中子与物质的原子核碰撞并将能量传递给后者，使物质的原子核跃迁到激发态，激发态的原子核返回到其基态时，多余的能量以射线的形式发射。3.2.2 射线与物质的相互作用光电效应：射线与物质的电子碰撞后，射线的全部能量都转移给了物质的电子，射线消失，使电子脱离原子（称光电子），如果射线使内层电子脱离原子，原子的外层电子将向内层轨道跃迁，多余的能量以X射线的形式发射。康普顿效应：射线与物质的电子碰撞后，射线的部分能量转移给物质的电子，射线的能量降低、方向改变，物质的电子从原子中被击出。电子对生成：射线在经过原子核附近时，将其全部能量转变为正负电子对，生成的正电子与物质的电子作用转变成两个光子（称湮灭）。吸收：由于上述三种效应，射线在通过物质时，其能量逐渐降低，射线最终被物质吸收。3.3 电离辐射生物学作用机制3.3.1 靶学说靶学说的理论要点：活细胞内存在着对射线特别敏感的区域，称为靶，如DNA，射线辐照在靶上才引起某种生物效应。射线与靶的作用是一种随机过程，是彼此无关的独立事件，靶被击中的几率服从Poisson分布，即每靶的平均击中数为A，则靶被击中n次的概率Pn = An (n!)1 eA。射线在靶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。3.3.2 直接作用和间接作用直接作用：生物分子直接接受到射线的能量并遭损伤。间接作用：环境分子接受到射线的能量，将能量传递给生物分子，或产生自由基使生物分子受损。环境分子以水分子为例：激发：H2O H2O* H + OH电离：H2O H2O+ + eH2O+ H+ + OHH2O+ + H2O H3O+ + OHe + H2O H2O H + OHe + H+ H 上述反应产生的H 和OH 即为自由基，其化学性质活泼，易与生物分子反应。3.3.3 辐射作用的原初过程 包括物理阶段和化学阶段，发生的事件主要有辐射能的吸收和传递，分子的电离和激发，自由基的产生和连锁反应，化学键的断裂等。3.3.4 辐射作用的时间进程物理阶段：水分子和生物分子的电离，水分子和生物分子的激发，离子-分子反应，激发态分子解离，结果是产生自由基。化学阶段：自由基与自由基之间的相互作用，自由基的扩散，自由基对生物分子的攻击，结果是使生物分子受损。生物学阶段：细胞、组织、器官和系统明显受损或发生癌症，死亡。3.4 电离辐射的生物学效应3.4.1 躯体效应和遗传效应躯体效应是指受照射的生物体的体细胞损伤，生物体本身表现的各种效应，分为非致癌效应和致癌效应，不具有遗传性。遗传效应是指受照射的生物体的生殖细胞发生基因突变，生物体后代表现的各种效应，具有遗传性。3.4.2 随机性效应和确定性效应随机性效应是指受照射的生物体的任何一个体细胞或生殖细胞发生基因突变（躯体效应中的致癌效应或遗传效应）是一个随机性事件，即使辐射剂量很小时也可能发生，其发生不具有阈值，发生的概率随剂量的增大而增加，效应的严重程度与剂量无关。确定性效应是指受照射的生物体的受损细胞或被杀死的细胞达到一定数量时，必然影响组织和器官的功能（躯体效应中的非致癌效应），只有辐射剂量达到一定程度才能发生，其发生具有阈值，效应的严重程度随剂量的增大而增加。3.4.3 影响辐射生物学作用的因素辐射的品质及相对生物效能：在剂量相同的情况下，传能线密度（LET）高的电离辐射（如中子流和射线）的能量沉积较为集中，导致的生物学效应较强；LET低的电离辐射（如射线、X射线和射线）的能量沉积较为分散，导致的生物学效应较弱。用相对生物效能（RBE）对不同品质的电离辐射进行比较则更为方便。以某一种辐射（通常是X射线）作为参考辐射，参考辐射产生特定水平生物学效应所需的剂量除以待定辐射产生同一水平生物学效应所需的剂量而得到的商值称为待定辐射的RBE。在剂量相同的情况下，RBE较高的辐射导致的生物学效应较强。剂量率及分次照射：在剂量相同的情况下，剂量率越大，产生的生物学效应越强。在剂量相同的情况下，分次照射的次数越多、各次间隔的时间越长，产生的生物学效应越弱，原因在于细胞有时间修复辐射导致的损伤。生物种系与个体的辐射敏感性：种间差异。越高等、越复杂的生物其辐射敏感性越高。种内个体之间的差异。同一个体不同发育期之间的差异，成年期的辐射敏感性最低。3.5 电离辐射的损伤与防护3.5.1 辐射损伤方式内照射：放射性物质经吸入、食用或皮肤进入体内，从而造成放射性核素的体内污染。可能在体内长期停留，持续照射，只有全部衰变或排出后，照射作用才会停止。滞留时间长的、排出速度慢的放射性核素对机体损伤较重。在放射性核素进入或排出时经过的器官损伤明显，蓄积器官损伤严重。骨骼：锶（s）90Sr、钚（b）239Pu；肝脏：铈（sh）140Ce肾脏：钌（lio）108Ru；甲状腺：碘131I外照射：放射性物质处于生物体外部所产生的照射。剂量越大，损伤越重。相同剂量的同种辐射单次照射损伤较重，分次照射损伤较轻，分次越多，各次的间隔时间越长，损伤越轻。全身照射损伤较重，局部照射损伤较轻，照射面积越大，损伤越重。不同部位（器官）对辐射的敏感性不同。3.5.2 辐射损伤效应直接损伤效应和间接损伤效应：前者指辐射直接作用于蛋白质和核酸等生物大分子，使其激发或电离，分子结构改变。后者指辐射先作用于水分子，水分子激发和电离后产生性质活泼的自由基，自由基攻击生物大分子，分子结构改变。躯体效应和遗传效应：前者指受照者自身表现的效应，分为近期躯体效应（1-60天内出现，如乏力、恶心、呕吐、皮肤烧伤、红肿、脱毛、血象变化等）和远期躯体效应（受照后几个月、几年、几十年才出现，如生育能力降低、白血病、皮肤癌等）。后者指受照者后代表现的效应，如先天畸形、发育异常、呆傻、小头症、遗传性死亡等。原因有多种，如生殖细胞基因突变或染色体畸变，或在胚胎发育期受到了照射等。随机性效应和非随机性效应：前者指在受照射的细胞群体中，单个细胞是否损伤具有随机性，剂量越大，损伤的概率越高，没有阈值，包括致癌效应和遗传效应。后者指照射导致一定数量的细胞损伤或死亡，生物体的形态和功能发生变化，具有阈值，剂量越大、损伤越严重。3.5.3 辐射防护目的和任务：目的是使人类免受或少受电离辐射的危害。任务：保护从事放射性工作的人员、公众及其后代的健康与安全，保护环境，促进原子能事业的发展。原则：正当化原则（使用电离辐射给人类和环境带来的利益大于给人类和环境带来的危害，否则不要使用），最优化原则（避免不必要的照射），限值化原则（个人所接受的照射剂量当量不超标）。标准：描述全身非均匀照射随机效应的重要概念：危险度：单位剂量当量导致癌症的死亡率，或严重遗传病的发生率。权重因子：各器官或组织的危险度与全身受到均匀照射的危险度之比。器官或组织的年有效剂量当量：器官或组织的年剂量当量（HT）与其权重因子（WT）之积。全身非均匀照射年有效剂量当量（HE）：各器官或组织年有效剂量当量之和（HT WT）。描述全身均匀照射随机效应、非随机效应的概念常为年剂量当量。辐射防护的国家标准见表5-13。措施：内照射的防护经常对空气进行过滤、除尘。密闭存放和操作。佩戴器具。不能用嘴吸放射性溶液。不要在放射性场所取食。防止放射性物质从伤口处进入体内。含有放射性物质的污水排放前应严格净化。不能食用来自放射性污染区域的农产品、水产品。对工作场所及周围的空气、水、土壤、动植物等进行定期监测。外照射的防护为降低累积剂量，尽可能减少在辐射源旁停留的时间。操作前预演，在正式操作时能熟练、准确、迅速。对于时间过长的作业，应多人轮流操作。为降低辐射强度，可使用机械手、自动化设备、遥控等装置，尽可能远离辐射源。为降低辐射强度，可在辐射源与操作人员之间设立屏蔽物，如用铅砖屏蔽X射线和射线，用石蜡屏蔽中子射线，用有机玻璃屏蔽射线。3.6 重离子辐射对生物体的作用3.6.1 重离子辐射的物理学与生物学特性重离子是指原子序数等于或大于2的原子被剥离或部分剥离电子后带正电荷的原子核。特殊的深度剂量分布：重离子在接近其射程末端时损失其大部分能量，形成一个能量损失峰，称布拉格（Bragg）峰。布拉格峰位的深度可通过改变入射重离子的能量进行调节，因此可将布拉格峰位精确地调整在肿瘤上，以提高放疗效果，使正常组织减少损伤，即肿瘤的定位放疗。相对生物效应高：布拉格峰的相对生物效应大于1。氧效应小：氧效应指受照生物细胞的辐照效应随细胞氧浓度增加而增加的现象。可用氧增比描述氧效应的大小。氧增比指电离辐射杀死乏氧细胞与杀死有氧细胞所需剂量之比。肿瘤细胞周围有较厚的坏死细胞层，隔断了氧气的输送，肿瘤细胞代谢活跃，消耗氧气多，因此肿瘤细胞处于乏氧状态。常规辐射的氧增比为2.5-3.0，即杀死肿瘤细胞所需剂量是杀死正常细胞所需剂量的2.5-3.0倍，用常规辐射杀死肿瘤细胞就不得不提高剂量，这对正常细胞的损伤较大。而重离子辐射的氧增比约为1，用杀死正常细胞的剂量即可杀死肿瘤细胞。小的射程歧离与横向散射：能量沉积集中，提高了放疗的精确度。细胞周期各时相对辐射敏感性差别小：常规辐射对M期细胞效果好，而对S期后期细胞的效果不好。重离子辐射对各期细胞的效果都好。修复效应小：常规辐射造成的损伤易被细胞修复。重离子辐射坪区的损伤易修复，峰区的损伤难修复，有利于杀死肿瘤细胞和保护正常细胞。可实时在线监控：利用重离子的电性，可在磁场诱导下进行三维扫描，利用正电子发射断层照相技术即可实时监控。3.6.2 重离子束在生物医学中的应用由于具有上述物理学与生物学特性，重离子辐射能有效地杀死肿瘤细胞，又能最大限度地减少正常细胞的死亡，还能实时监控，因此优于常规放疗。美国、日本和德国的临床实验表明：用重离子辐射治疗肿瘤的治愈率高、局部控制率高、复发少、并发症少。虽然重离子加速器的造价高、技术复杂，但治疗肿瘤的效果明显。因此，发达国家正在建造或筹建专用于肿瘤治疗的重离子加速器。我国于1988年在兰州建成了重离子加速器，目前正在开展重离子辐射治疗浅层肿瘤的临床试验。另外，随着太空热的兴起，宇宙辐射对生物体的作用和航天育种成为研究热点。3.7 小剂量电离辐射对生物体的作用随着原子能的和平利用，公众越来越关注小剂量辐射的生物效应。1990年，国际辐射防护委员会（ICRP）建议：公众照射的年有效剂量限值为1 mSv，在特殊情况下可高于1 mSv，但5年内年平均值不得大于1 mSv。因为电离辐射的随机性效应没有阈值，所以在年有效剂量1 mSv以下，个体发生癌症或其后代发生遗传病的概率虽然微乎其微，但不为0，公众依然恐慌。公众的年有效剂量限值来源于实验，但一些实验结论的可靠性值得怀疑。用大剂量效应线性外推求小剂量效应是否合理？用动物的实验结果外推至人类是否科学？其实公众不必过度紧张。人人都逃脱不了宇宙射线、天然辐射，人类在进化过程中对天然本底辐射早已适应，而且天然辐射对生物体的正常发育是必需的。实验证明小剂量辐射对机体的免疫功能有促进作用，能提高免疫能力，小剂量预辐照后对大剂量辐照产生适应性。第四章 生物物理技术4.1 光谱分析技术4.1.1 紫外-可见吸收光谱I. 分光光度法定量分析的基础样品在低浓度时，其吸收度与其浓度成正比，遵循Beer-Lambert定律：log10(I0/I) = A = C l在上式中，I0为入射光强度，I为透射光强度，A为吸收度，为吸收系数、是与吸收基团性质有关的一个常数，C为样品浓度，l为样品厚度。对于溶液状态的样品，吸收度A是溶质吸收度与溶剂吸收度之和。在实际测量中，先在参比池和样品池都加入溶剂并调零，然后参比池内溶剂不动，样品池内换成待测的样品溶液，测定时就自动扣除了溶剂的吸收度，只剩下溶质的吸收度。II. 紫外-可见分光光度计的结构光源：氢灯（165-375 nm）、汞灯、氙灯（180-1000 nm）、碘钨灯（325-2500 nm），往往有两个光源，可自动切换。单色器：主要包括色散元件（一般采用光栅）、狭缝和准直镜，将复色光变为单色光。样品池：用玻璃或石英制成。检测器：一般用光电倍增管或光电二极管矩阵，将光信号转换成电信号。控制线路：放大电信号和控制操作的电子线路。结果显示器：现在一般为计算机屏幕和打印机。III. 紫外-可见吸收光谱的应用蛋白质研究肽基团：190 nm，190 10 000 cm2 mol1，此处测定蛋白质浓度的精度高、用量少。侧链：Trp，280 nm，5600 cm2 mol1Tyr，274 nm，1400 cm2 mol1Phe，257 nm，200 cm2 mol1对于水溶液中的蛋白质分子，暴露在其表面的残基可视为处于亲水环境中，其内部残基可视为处于疏水环境中。如果Trp、Tyr和Phe从亲水环境移入疏水环境，则max和增加，据此可推测蛋白质空间构象的变化。核酸研究DNA随温度上升吸收度增加，称增色效应。4.1.2 荧光光谱荧光：电子从第一激发态的最低能级返回基态的不同能级时，能量以光子形式释放，放出的光称荧光。荧光从与激发光垂直的方向测量，以减小激发光的干扰。激发光谱：用一个波段的激发光照射荧光物质，在某一波长处荧光强度的变化。可找到效率最高的激发光的波长。发射光谱：用某一波长的激发光照射荧光物质，在一个波段内荧光强度的变化。可找到强度最高的荧光的波长。I. 影响荧光光谱的因素溶液的pH：存在发射荧光的最适pH。溶剂的极性：溶剂的极性降低，max蓝移，荧光强度增高。温度：温度降低，荧光强度增高。溶液浓度：在浓度较低时，荧光强度与浓度成正比，这是其定量分析的依据。浓度过大时会发生荧光猝灭，称浓度猝灭。II. 荧光分光光度计的结构激发光源：汞弧灯、氙灯。样品池：低荧光的玻璃或石英池。检测器：光电倍增管。滤光片：在光源与样品池之间有激发滤光片，在样品池与检测器之间有荧光滤光片。单色器：光栅，分为激发单色器和发射单色器。III. 荧光光谱的应用蛋白质构象研究：利用蛋白质的芳香族氨基酸残基发射的天然荧光。氨基酸(H2O, pH7)荧光发射max (nm)相对荧光强度Phe2820.5Tyr3039Trp348100经验规律：若Trp或Tyr残基的荧光能被荧光猝灭剂猝灭，则此残基必位于蛋白质分子的表面。否则，此残基或位于蛋白质分子的内部，或位于分子结构的裂隙中，或位于能排斥猝灭剂的荷电区。若一种物质不能影响氨基酸的荧光，但能影响蛋白质的荧光，则该物质一定使蛋白质分子发生了构象变化。若Trp或Tyr残基位于蛋白质分子的表面，其荧光强度随温度升高而下降。若Trp或Tyr残基位于蛋白质分子的内部，其荧光强度随温度升高变化不大。与蛋白质分子结合的小分子能猝灭Trp残基的荧光，小分子的吸收光谱与Trp残基的荧光光谱重叠，则Trp残基一定位于或接近结合部位。4.1.3 红外吸收光谱分子吸收入射光子的能量，从低振动能级跃迁至高振动能级，就产生红外吸收光谱。从最低振动能级跃迁至第一振动能级所产生的吸收峰称基频峰。从最低振动能级跃迁至第二或更高振动能级所产生的吸收峰称泛频峰或倍频峰。可用于鉴别官能团存在的吸收峰称特征峰。波数：波长的倒数，单位cm1。一般将4000-1250 cm1的区间称特征区，1250-400 cm1的区间称指纹区。I. 红外分光光度计的结构红外光源：一般用白炽Nernst灯和硅碳棒。样品池：单色器：由狭缝、准直镜和色散元件组成。检测器：有热电偶、电阻测辐射热计和高莱槽。电子放大器和记录仪：信号放大和绘图。II. 红外吸收光谱的应用蛋白质二级结构研究：C=O的振动频率与其所处的构象有关。在-螺旋、-折叠和无规卷曲中，C=O的振动频率分别为1648-1655 cm1、1630-1635，1690-1695 cm1、1655-1660 cm1。通过测量各振动频率的强度可确定蛋白质中各二级结构的百分数。但由于水对红外吸收强烈，一般用重水（D2O）代替水作溶剂进行测量。近红外光谱可用于测量血氧饱和度。4.1.4 拉曼光谱分子吸收入射光子的能量，从低振动能级跃迁至准激发态，然后从准激发态返回至高振动能级，发射的光子称Stokes线；分子吸收入射光子的能量，从高振动能级跃迁至准激发态，然后从准激发态返回至低振动能级，发射的光子称反Stokes线。Stokes线的频率或者反Stokes线的频率减去入射光的频率的差称拉曼位移。I. 拉曼光谱仪的结构 与红外分光光度计的结构相似，不同的是：采用激光光源，多一个前置单色器，检测器为光电倍增管。II. 拉曼光谱的应用拉曼光谱的谱带丰富，水对它的干扰小，因此越来越受到重视。可用于研究酶的活性部位，可检验异常血红蛋白。拉曼光谱可用于区分癌组织和正常组织。4.1.5 旋光色散和圆二色性旋光色散和圆二色性是研究偏振光对具有光学活性物质作用的两种方法，可在水溶液中测定。I. 光的偏振态自然光：光的振幅相同，振动方向为任意方向。平面偏振光（线偏振光）：光的振幅相同，振动方向只有相反的两个方向。部分偏振光：光的振幅不同，振动方向为任意方向。圆偏振光：光的振幅相同，振动方向作匀速旋转。迎着光线传播方向，振动方向呈顺时针旋转的称右旋圆偏振光，呈逆时针旋转的称左旋圆偏振光。椭圆偏振光：光的振幅不同，振动方向作匀速旋转。分为右旋椭圆偏振光和左旋椭圆偏振光。令椭圆的长半轴为a，短半轴为b，tan = b/a，称椭圆偏振光的椭圆度。II. 偏振光的合成与分解两束振幅相同，旋转方向相反的圆偏振光合成平面偏振光分解合成的结果：平面偏振光的振幅等于两束圆偏振光的振幅之和，振动方向为两束圆偏振光相遇的方向。两束振幅不同，旋转方向相反的圆偏振光合成椭圆偏振光分解合成的结果：椭圆偏振光的长半轴等于两束圆偏振光的振幅之和，短半轴等于两束圆偏振光的振幅之差，旋转方向与大振幅圆偏振光的旋转方向相同。光学活性物质对左旋和右旋偏振光的折射率和吸收率不同，当平面偏振光在光学活性物质中传播时，就会发生分解，透出物质后再重新合成。III. 旋光色散(ORD)折射率(n) = 光在真空中的速度/光在旋光物质中的速度一束波长为的平面偏振光进入旋光物质后，分解为两束反向旋转的、振幅相同的圆偏振光。在旋光物质中，左旋圆偏振光的折射率(nL)与右旋圆偏振光的折射率(nR)不相等，右旋圆偏振光比左旋圆偏振光的位相超前为 = 2(nL nR)d/透出旋光物质后合成平面偏振光，其振动方向偏转于入射平面偏振光的角度 = /2 = (nL nR)d/nL nR，则 0，称右旋，反之称左旋。与成反比，对于确定厚度的旋光物质，不同波长的平面偏振光偏转的角度不同，这种现象称旋光色散。IV. 圆二色性(CD)一束波长为的平面偏振光进入旋光物质后，分解为两束反向旋转的圆偏振光，由于旋光物质对左旋圆偏振光的吸收系数(L)与对右旋圆偏振光的吸收系数(R)不相同，两束圆偏振光的振幅差异越来越大，透出旋光物质后合成椭圆偏振光，其椭圆度 = 2.303C(L R)/圆二色仪的结构光源：产生自然光。单色器：产生单色光。起偏器：产生平面偏振光。调制器：产生左、右旋圆偏振光，并使之交替通过样品池检测器：检测光强度。V. ORD谱和CD谱的关系二者可通过Kronig-Kramers方程互相换算。ORD谱类似于色散谱，可在所有波长处发生，只是在远离吸收峰处逐渐减小。在吸收峰附近，ORD谱可正(短波有谷、长波有峰)可负(短波有峰、长波有谷)，称为Cotton效应。蛋白质的Cotton效应出现在200 nm附近，核酸的Cotton效应出现在250-275 nm范围内。CD谱类似于吸收光谱，只在吸收波长处发生，与吸收光谱不同的是CD谱可正可负。VI. 应用 CD谱可用于估算蛋白质中-螺旋、-折叠和无规卷曲的含量，以研究蛋白质的构象及其变化。设-螺旋、-折叠和无规卷曲的含量分别为f、f、fR，则f + f + fR = 1设样品在波长处的摩尔椭圆率为，100% -螺旋、100% -折叠和100%无规卷曲在波长处的摩尔椭圆率分别为，、，和R，假设 = f ， + f ， + fR R， 选择3个不同波长的，得到三元一次方程组，可求出f、f和fR。4.2 磁共振技术4.2.1 磁共振的基本原理原子核具有质量，核自旋时具有角动量L，L与自旋量子数l的关系为根据原子核的质量数A和原子序数Z，可将核自旋量子数l分为三类：A和Z都为偶数，如12C、16O、32S等，l = 0，不产生磁共振；A为奇数，如1H、19F、13C等，l为半整数，即l = 1/2，3/2，能产生磁共振；A为偶数，Z为奇数，如14N等，l为正整数，能产生磁共振。原子核带有正电荷，核自旋时具有磁矩，与L之间的关系为 = L称旋磁比。将磁矩为的原子核置于沿z轴的磁场B0