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1、第四章电离辐射对细胞基本结构的作用 细胞膜：质膜、核膜、线粒体膜、内质网膜、高尔基复合体膜、溶酶体膜及过氧化物酶体膜等，又统称为生物膜。囊泡：骨架：细胞核：本章的重点细胞膜、线粒体、内质网和溶酶体的电离辐射效应,并阐述细胞间隙连接通讯的电离辐射效应。细胞的基本结构2第一节 细胞膜及细胞间隙连接通讯的 电离辐射效应第二节 线粒体的电离辐射效应第三节 内质网和溶酶体的电离辐射效应第四章电离辐射对细胞基本结构的作用 3第一节细胞膜及细胞间隙连接通讯的电离辐射效应 4一、生物膜的电离辐射效应 细胞膜是细胞的重要组成部分，具有独特的结构与功能。广义的细胞膜包括细胞的质膜、核膜、线粒体膜、高尔基体膜、溶酶

2、体膜以及内质网膜等。根据生物膜的“流动镶嵌”模型，认为质膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质或其复合物组成。51. 辐射对细胞膜组分的影响生物膜基本上都是由蛋白质（包括酶）和脂类（主要是磷脂）组成。此外，还有少量糖（糖蛋白和糖脂）。水分约占15% 20%，膜中蛋白质与脂类含量的变化和膜功能的多样性密切相关。电离辐射对膜的作用可分为直接作用和间接作用。6流动镶嵌模型7DNA和膜（特别是核膜）是射线作用的靶。其辐射效应是引起细胞一系列生理生化变化的关键。辐射能量的吸收和传递可导致生物分子的激发和电离，使膜结构的有序性、方向性和协调性等遭到破坏，从而导致细胞乃至机体的生理功能的紊乱。 81）对脂质的作用

3、膜脂质的不饱和碳氢键部分能被直接氧化或通过自由基作用而氧化。 膜脂质成分的变化直接影响着膜的微粘度、流动性、脆性和通透性等，且间接影响到镶嵌在膜脂质双分子层中的蛋白质、酶、抗体和受体的功能。 9（1）辐射所产生的各种自由基，如羟自由基、超氧化物阴离子自由基和单线态氧等都是脂质过氧化作用的引发剂。（2）生物膜中的多不饱和脂肪酸含量与辐射引起的脂质过氧化速率有关。脂质过氧化物的产额与辐射剂量的大小成正比，但与剂量率成反比。 109、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2022/7/122022/7/12Tuesday, July 12, 202210、低头要有勇气，抬头要有低气。2022/7/1

4、22022/7/122022/7/127/12/2022 9:00:44 PM11、人总是珍惜为得到。2022/7/122022/7/122022/7/12Jul-2212-Jul-2212、人乱于心，不宽余请。2022/7/122022/7/122022/7/12Tuesday, July 12, 202213、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2022/7/122022/7/122022/7/122022/7/127/12/202214、抱最大的希望，作最大的努力。12 七月 20222022/7/122022/7/122022/7/1215、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。七月 222

5、022/7/122022/7/122022/7/127/12/202216、业余生活要有意义，不要越轨。2022/7/122022/7/1212 July 202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2022/7/122022/7/122022/7/122022/7/12（3）脂氢过氧化物可分解生成丙二醛，后者可引起蛋白质分子内和分子间的交联。 （4）线粒体和微粒体膜的磷脂中含有较多的多不饱和脂肪酸，随着双键数目的增加，过氧化的速率也增加。氢过氧化物对线粒体的氧化磷酸化过程有解偶联作用。脂质过氧化程度与线粒体的膨胀、崩解等形态学变化相一致。微粒体脂质过氧化后能引起多核糖体解聚和蛋白质合

6、成的抑制。129、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2022/7/122022/7/12Tuesday, July 12, 202210、低头要有勇气，抬头要有低气。2022/7/122022/7/122022/7/127/12/2022 9:00:44 PM11、人总是珍惜为得到。2022/7/122022/7/122022/7/12Jul-2212-Jul-2212、人乱于心，不宽余请。2022/7/122022/7/122022/7/12Tuesday, July 12, 202213、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2022/7/122022/7/122022/7/122022/7

7、/127/12/202214、抱最大的希望，作最大的努力。12 七月 20222022/7/122022/7/122022/7/1215、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。七月 222022/7/122022/7/122022/7/127/12/202216、业余生活要有意义，不要越轨。2022/7/122022/7/1212 July 202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2022/7/122022/7/122022/7/122022/7/12只有氧化过程而不能磷酸化的过程。在氧化磷酸化的偶联中，如加入使偶联消除的物质（解偶联剂），则氧化仍能进行而不能生成ATP。电离辐射诱导

8、细胞周期解偶联的含义是：照射后处于细胞周期中的G2期细胞既不能进入有丝分裂M期，也不发生G2阻滞，而是返回到S期，继续进行DNA复制，使细胞形成内含数倍DNA而不进行分裂的巨细胞（giant cell），最终细胞死亡。 解偶联 (uncouplin) 14（5）溶酶体膜在脂质过氧化后能释放出许多水解酶，造成细胞损伤。 （6）抗氧化剂可使脂质过氧化减慢或停止。水溶性的还原型谷胱甘肽和半胱胺可以部分地防止脂质过氧化，而脂溶性维生素E抑制脂质过氧化作用。 152）对膜蛋白的作用在射线作用下，SH基团可被氧化，二硫键被还原而断裂。膜结合酶可被射线的直接作用或间接作用所灭活，膜受体对射线也较敏感，膜上的

9、糖蛋白损伤将影响细胞的免疫功能。 163）对膜糖的作用 辐射作用于膜糖可能改变膜上糖蛋白的抗原性而影响膜的识别功能。射线作用于膜糖时，会产生、不饱和羰基型化合物，其细胞毒作用很强。 OH 对脱氧戊糖的破坏。17辐射对细胞膜组分的影响 脂质： OH + LH L + H2O L + O2 LOO (有机过氧自由基） LOO + LH L + LOOH (脂氢过氧化物） 膜蛋白：脂质过氧化分解产物引起蛋白质分子间的交联糖蛋白：产生对细胞有毒的, -不饱和羰基型化合物小 结182. 辐射对膜转运功能的影响 主要方式有被动运输、主动运输和中介运输 耗能 载体 能量差 饱和性 竟争性 被动运输 不 无

10、顺差 无 无主动运输 是 有 逆差 有 有中介运输 不 有 顺差 无 有（一）膜运输机制的改变19电离辐射对上述 3 种运输机理均有干扰作用。较低剂量照射以影响被动运输为主，较高剂量照射则主要干扰主动运输。另一种情况是电离辐射破坏膜结构，造成严重的膜损伤。此时，运输机制己不能正常进行。 20电离辐射对亲水性与疏水性的非电解质中性有机分子和有机阴、阳离子的膜通透性亦有一定的影响。运输速率大小： 疏水中性分子 亲水中性分子 有机阳离子 有机阴离子 21（二）细胞器膜结构的破坏 1. 溶酶体中酶的释放和激活。 2. 线粒体膜及其功能的影响比较明显。离 子平衡失调和重要酶分子的丧失将给线粒体的生化代谢

11、功能带来严重影响。 3. 照射后核膜上“核孔”的改变将干扰核内RNA向细胞质转移，进而影响蛋白质生物合成。 223.电离辐射对生物膜蛋白酶活性的影响（一）腺苷酸环化酶（AC） 脾细胞AC是重要的膜结合酶，与生物信号的跨膜传递密切相关。ATPcAMPACAMPcAMP-PDEAC活性的变化与细胞的辐射敏感性有关。 Na+， K+-ATPase Mg 2+ -ATPase。100 Gy 射线红细胞膜上结合着3种ATPase与照射后细胞膜SH基团的变化平行。25（四）NADPH细胞色素c还原酶和细胞色素P450 存在于微粒体膜内，在机体解毒和药物代谢的羟基化反应中起重要作用。正常膜脂质1000 Gy

12、 射线膜脂质发生过氧化NADPH-细胞色素C还原酶活性和P450含量随剂量升高而逐步下降羟基化活性下降肝细胞26（五）NAD-糖水解酶是一种重要的膜结合酶，它与细胞中DNA生物合成密切相关。小鼠受2.5 Gy 射线全身照射后肝细胞质膜上NAD-糖水解酶活性降低3 6 h24 h后即明显回升照射后早期酶活性下降可能与细胞中DNA合成抑制有关，并与照射剂量有依赖关系。274. 辐射对DNA-膜复合物的作用（1）DNA-膜复合物的成分及辐射敏感性DNA-膜复合物含有DNA、RNA、组蛋白、非组蛋白、中性脂和磷脂等。 2. DNA-膜复合物对电离辐射特别敏感，可能是细胞内重要的辐射靶。 28图4.3

13、辐射对DNA-膜复合物的作用示意图(所指为射线作用的敏感部位)29（2）真核细胞DNA-膜复合物的辐射效应1. 生物膜受到照射后迅速发生结构与功能的变化。2. 生物膜（特别是核膜）是一个重要的辐射靶。3. 生物膜的早期辐射损伤对细胞辐射损伤的发生、发展乃至细胞死亡均起着重要作用。DNA-膜复合物的解离 IR保温后可修复（3）辐射作用于生物膜的生物学意义重 点301. 辐射对细胞膜组分的影响2. 辐射对膜转运功能的影响3. 电离辐射对生物膜蛋白酶活性的影响4. 辐射对DNA-膜复合物的作用5. 辐射对膜受体功能的影响 一、生物膜的电离辐射效应 315. 辐射对膜受体功能的影响膜受体功能的变化实质

14、上是膜蛋白功能的变化 膜蛋白分子上的靶部位与特异的配体结合抗原介质激素药物 膜受体： G蛋白偶联受体 单次跨膜受体 离子通道受体IR32外源性凝集素质膜对外源性凝集素的结合能力是检测膜结构中糖蛋白变化的一种方法1. 刀豆球蛋白A（Con A）是对含葡萄糖和甘露糖的受体有特异性的凝集素。X射线人的成纤维细胞WE-38Con A的结合能力2. 外源性凝集素与细胞受体的结合实验可作为衡量膜 辐射损伤的敏感指标。 33二、细胞连接的电离辐射效应 细胞连接是由相邻两细胞膜上的连接子相互锚定而成。动物细胞还通过细胞黏附分子(CAM)介导细胞与细胞或细胞与细胞外基 质间的细胞黏附。图4-4 细胞连接的不同方

15、式34(一)细胞连接 封闭连接（紧密连接）：将上皮细胞紧密联合成整体的机械作用；封闭上皮细胞的间隙，阻止可溶性物质的流动，保证内环境稳定；形成上皮细胞膜脂和膜蛋白侧向扩散的屏障，维持上皮细胞的极性。锚定连接：是一类由细胞骨架参与的细胞连接，存在于多种组织中，特别是承受机械力大的组织，如上皮、心肌和子宫颈等组织，起到分散和传递作用力， 增强组织支持和抵抗机械张力的作用。间隙连接（通讯连接）：细胞间隙连接通讯，除了红细胞、血小板、某些神经元、发育成熟的骨骼肌纤维细胞及精子外，广泛存在于其他各 种细胞。35(二)细胞通讯在辐射旁效应中的作用电离辐射诱导的旁效应（Bystander effect）：一

16、般是指未被辐射击中的部位出现的损伤。即通过细胞接触或细胞信号转导，将接触损伤因素的原细胞的应答传递给未直接受损的其他细胞，使之产生与前者相同的应答。 例如，穿透胞浆的粒子引起胞核的遗传效应或穿透部分细胞的辐射引起未受照射细胞的病变。重 点36辐射旁效应传统辐射效应： 只有被照射的细胞才会有变化 ？未直接受照的细胞表现出与直接受照细胞相类似的生物学变化37辐射诱导的旁效应因照射剂量和其它条件不同，可以是损伤性效应，也可以是保护性效应。 用受照细胞的培养上清液处理未照射的细胞，也发生同样的旁效应(增殖反应) EL-4（淋巴细胞）IRJ774A.1（巨噬细胞）EL-4共培养38第二节线粒体的电离辐射

17、效应 39一、线粒体及其生物学特性线粒体（mitochondrium）是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所，为机体提供95%以上的能量。线粒体有自身的DNA和遗传体系，能够独立进行基因的转录、翻译和蛋白质的表达，在细胞的能量代谢、自由基产生和细胞凋亡等过程中发挥重要的作用。40结构：两层膜（外膜和内膜），向内折叠形成嵴。细胞内有数百到数千个线粒体。线粒体有许多酶系，目前已确认有120余种。超微结构：外膜、内膜、膜间隙和基质。分布着三羧酸循环系统和电子传递系统，是细胞氧化磷酸化反应产生ATP的场所。41线粒体的基因组成人类线粒体只有一条DNA，由16569 bp组成的双股闭合环状分子，是裸露

18、的，不与组蛋白结合。mtDNA只含37个基因：24个是蛋白质合成时所必需的编码RNA；其余的13个基因编码呼吸链关键性亚单位蛋白质，因而在调节氧化磷酸化中起关键作用。42二、线粒体的电离辐射效应（一）电离辐射对线粒体的直接损伤作用主要表现为mtDNA（辐射靶）的单链断裂和双链断裂动物细胞受照后，出现线粒体膨胀、嵴破坏等早期形态学变化；增加照射剂量后，出现线粒体膜（辐射靶）的分离、空泡形成等变化。电离辐射的直接作用导致线粒体膜的膜组分、物理化学性质、膜运输功能及通透性的改变等。大鼠肝细胞体外照射20 1000 Gy后，主动运输受抑，K+ 和Ca2+ 迅速丧失，Mg2+ 增加，还可观察到ATP酶、

19、DNA酶、RNA酶及细胞色素c（cytochrome, Cyt c）等外逸。43 （二）电离辐射对线粒体的间接损伤作用 电离辐射对线粒体的间接作用: 活性氧（reactive oxygen species, ROS）, 包括: O2、H2O2、 OH、O 2 ， 约占放射损害的2/3。 在mtDNA损伤后，因其缺乏修复系统，直接影响能量代谢，ATP合成减少；反过来，又促进自由基生成，成为促使细胞死亡或凋亡的重要因素。 mtDNA和ROS的堆积可以相互促进，形成大量的脂质过氧化物，影响线粒体基因组，导致细胞nDNA的损伤。重 点44（三）线粒体基因组的电离辐射损伤作用电离辐射引起mtDNA突变线

20、粒体基因组与辐射敏感性： mtDNA可能是影响细胞辐射敏感性的一个重要因素。缺乏mtDNA细胞，由于细胞凋亡减少，使辐射具有抗性。45（四）LDR对雄性生殖细胞线粒体的影响对生精细胞凋亡的影响：促进精原细胞和精母细胞凋亡增加，呈现时程-效应关系，但为非线性。对生精细胞线粒体形态结构的影响：精原细胞与精母细胞的线粒体肿胀，空泡化，嵴断裂；精子细胞核固缩，线粒体空泡化。对生精细胞线粒体功能的影响：线粒体膜电位降低，Ca2+i增高，Na+-K+-ATP和Ca2+-ATP酶活性降低，其剂量-效应和时程-效应规律性与凋亡的规律性基本一致。对生精细胞内活性氧类物质的影响：ROS 和 NO 含量逐渐增加，N

21、OS 活性也增高。对睾丸细胞内相关基因mRNA及其蛋白表达的影响：Cyt c、caspase-9、-3和凋亡诱导因子（AIF）基因mRNA及其蛋白表达不同程度的增加。46三、电离辐射抑制线粒体氧化磷酸化反应氧化磷酸化的效率以P/O比值表示。含义：是每消耗1个原子氧所形成的高能磷酸键的数目。在三羧酸循环的呼吸链中，形成3个ATP，因此P/O = 3。NADHCyt-bc1caa3H2OFADHFMNCoQO2ADP + PiATP 能 量ADP + PiATP 能 量ADP + PiATP 能 量辐射敏感部位47（一）电离辐射抑制线粒体氧化磷酸化反应的特点1P/O比值变化发生较早；2P/O比值发

22、生变化所需要的剂量较小；3细胞中线粒体的数量、氧化磷酸化的水 平与辐射敏感性之间存在着明显的相关。重 点48（二）电离辐射抑制线粒体氧化磷酸化的机制1. 线粒体膜结构的损伤。 2. 在呼吸链中，辐射对ATP形成的3个偶联部位均有影响，但其中第3个部位即还原细胞色素c 被氧化的过程对辐射最敏感。3. 射线对氧化磷酸化的抑制既有直接效应，也有远隔效应。 49（三）辐射所致能量代谢障碍的后果细胞死亡 能量代谢障碍核酸、蛋白质和酶等生物合成的抑制IR细胞结构、形态和功能的变化50第三节内质网和溶酶体的电离辐射效应51一、内质网的电离辐射效应蛋白质合成修饰与加工新生肽链的折叠组装和运输合成膜脂和甾体类激

23、素调节血糖浓度、形成钙离子、解毒支撑作用等（一）内质网与内质网应激内质网的功能：52 1. 内质网的生物学特性 内质网是细胞质内由膜组成的一系列片状的囊腔和管状的腔，彼此相通形成一个隔离于细胞基质的管道系统。 结构：粗面内质网：附着大量核糖体、 合成膜蛋白和分泌蛋白。滑面内质网：无核糖体，为细胞内外糖类和脂类的合成和转运场所。 内质网是细胞内Ca2+ 的主要储存库，内质网的动态平衡是细胞功能和生存的关键。53 2. 内质网应激含义：在缺氧、氧化反应、异常糖基化反应及Ca2+ 稳态失衡情况下，内质网未折叠的蛋白质会明显增多；当超出内质网处理能力时，细胞会激活一些相关信号级联反应，恢复内质网良好的

24、蛋白质折叠环境，引起内质网反应。发生内质网应激反应的因素： 错误折叠或未折叠蛋白过度蓄集 内质网类脂或醛酯类的失衡 内质网腔内的氧化还原或离子的环境变化所形成的紊乱 蛋白N末端糖基化所致的糖剥夺重 点54（二）内质网的光辐射和电离辐射效应1. 内质网与光辐射 光辐射内质网应激反应蛋白： GRP78/BiP、caspase-12、p-PERK及p-eIF2 表达上调2. 内质网应激与电离辐射 电离辐射内质网应激标志分子： BiP 和 GRP94 mRNA和蛋白的表达上调在辐射诱导内质网应激反应下，增加肿瘤细胞的辐射抗性。553. LDR诱导睾丸细胞内质网应激及凋亡LDR可诱导内质网应激通路相关因

25、子的表达： 与GRP78有关的传感分子IRE1、PERK和ATF6蛋白激活。LDR诱导内质网应激凋亡相关因子的表达： CHOP、pJNK和caspase-12 蛋白表达增加，有剂量依赖性。56二、溶酶体的电离辐射效应（一）溶酶体 溶酶体（lysosome）普遍存在于各类组织细胞中，电镜下显示由一层单位膜包裹而成的球囊状结构，一般直径为0.2 0.8 m。 通过形成异噬性溶酶体和自噬性溶酶体的不同途径，及时地对外源性物质或细胞内衰老和残损的细胞器进行消化和分解为可被细胞重新利用的小分子物质，并参与细胞死亡过程。57（二）电离辐射对溶酶体的影响在辐射反应中，自噬增加，溶酶体调节自噬泡降解；溶酶体参与电离辐射诱导的细胞死亡，可降解凋亡小体的吞噬泡内容物。紫外线辐射可激发溶酶体膜通透性，导致组织蛋白酶释放，激活死亡信号通路，引起细胞凋亡。溶酶体膜通透性改变能通过Bcl-2家族依赖的方式和Rho/ROCK-JNK信号通路的方式影响线粒体，造成线粒体膜通透性改变，进而启动细胞死亡。58小 结1. 简述辐射对细胞膜组分的影响。2. 简述辐射作用于生物膜的生物学意义。3. 辐射旁效应的定义？4. 简述电离辐射对线粒体的间接损伤作用。5. 电离辐射抑制线粒体氧化磷酸化反应的特点有哪些？6. 什么是内质网应激？599、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。12-7月-2212-