电离辐射对生物作用

电离辐射对生物的作用周丁屹蒋大振主要内容Ⅰ电离辐射对生物作用的阶段ⅡDNA损伤及修复机制Ⅲ4R理论简介Ⅳ癌症基因治疗简介Ⅰ.电离辐射对生物作用的阶段光电效应

光电子康普顿效应反冲电子、散射光子电子对效应正、负电子这些物理作用是以后一系列化学、生物作用的基础电离辐射的治疗作用是电离辐射作用于人体后发生一系列物理、化学和生物反应的结果电离辐射中的X（γ）光子作用于靶物质的原子，发生带电粒子与物质的相互作用X（γ）射线与物质的相互作用辐射生物效应的时间标尺电离辐射对任何生物体的照射将启动一系列时间差异非常大的变化过程，这些过程分为三个阶段：㈠物理阶段：极短㈡化学阶段：很短㈢生物阶段：细胞死亡需数天到数月，辐射致癌作用需数年，可遗传的损伤需经数代才能观察到物理阶段主要指带电粒子和构成组织细胞的原子之间的作用。

包括电离作用和激发作用。一个高速的电子通过DNA分子只需要10-18秒。而通过一个哺乳动物细胞则10-14秒。当电子通过时仅作用于轨道电子，将一些电子打出原子（电离）并使其他在原子或分子内的电子进入较高能量水平（激发）。如能量足够，可发生一连串的电离事件。化学阶段指受损的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期。主要指自由基的形成。电离和激发导致化学键的断裂和形成被破坏的分子（自由基）。这些自由基非常活跃有极高的活性，它们参与一系列的反应最后导致电子负荷平衡的重建。自由基反应在照射后约1毫秒内就全部完成。生物阶段包括所有的继发过程，从作用于残存化学损伤的酶反应开始，部分的损伤（如DNA内的损伤）可以成功地修复。部分损伤不能修复，这些未修复的损伤最后导致细胞死亡。细胞死亡需要一定的时间，细胞在受小剂量的照射后在死亡前可能进行一定次数的分裂。受照射后的头几周或头几个月早反应组织就会出现损伤的表现，在较后的一些时间，晚反应组织表现出损伤，更晚的放射损伤表现是出现继发肿瘤（辐射致癌）。可观察到的电离辐射效应甚至可以延长到受照射后许多年。自由基电离辐射的间接作用首先作用于生物大分子，特别是水，电离辐射与水相互作用产生自由基，理解水分子的电离和激发过程对理解放射生物效应的发生有十分重要的意义自由基：自由基是用于描述含有不配对电子的一个原子、分子、粒子或一个原子团。

自由电子①在其运动中又不断和水分子碰撞，击出其它水分子中的轨道电子，引起次级电离。②这些电子在其运动和引起电离的过程中逐渐丧失其能量，直至不能再击出其它分子的电子，它们就被水分子捕获，形成带负电的水离子(H2O-)，后者亦极不稳定，在水中解离成氢氧离子(OH-)和氢自由基(H·)电离辐射与水的作用水分子受电离辐射作用时，将水分子中的轨道电子击出，发生电离作用，形成反常离子(H2O·＋)和自由电子(e-)H2O·＋为不稳定的自由基离子，在水中迅速解离为氢离子(H+)和氢氧自由基HO·。+H2O+H+H·③一部分电子可与H+反应形成H·。+H2O④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(e水合-)。水合电子比自由电子稳定，在中性水中其生存时间为2.3×10-4s。水分子受电离辐射作用时，若水分子所获能量尚不足以使电子击出，即不能发生电离作用，而只使水分子的电子跃迁到较高能级的轨道上，使分子处于激发态，即称为水分子的激发。激发的水分子（H2O*）很不稳定，很快释放其能量，解离成为H·和HO·两种自由基。这些自由基的能量较高，重组合的机会较多，一般认为放射生物学作用中激发分子的作用与电离作用的产物比较起来，可以忽略不计。氧中毒氧气是一切需氧生物生存的必备条件，但恰好又是最终导致衰老和死亡的罪魁祸首，原因是氧具有毒性。正常人静脉血中氧含量为40mmHg，当氧的浓度增高时，就会发生慢性中毒，高浓度的氧能抑制视网膜血管的生长，当回复正常浓度时，血管会过分生长，造成视网膜脱落，高浓度的氧对内分泌也有影响，使畸胎率增高。氧的毒性主要来源于氧分子还原成水时产生的许多中间产物，其中绝大部分是自由基，把这些中间产物统称为活性氧，即氧分子被还原成水时所产生的中间产物的统称。氧是一种放射增敏剂，如果照射时有氧存在，可增加放射效应。电离辐射中对细胞造成损伤的自由基主要来源于活性氧

超氧阴离子

过氧化氢分子

氢氧自由基

烷氧基RO·，烷过氧基ROO·，氢过氧化物ROOH等（脂类过氧化物）活性氧自由基反应1，HO·的毒性HO·是最活泼的自由基之一，几乎能与活细胞中任何分子发生反应，反应速率极快，它的反应分为三大类：夺氢，加成，电子转移。其中，夺氢和加成反应是HO·导致细胞损伤、衰老、死亡的重要原因。（1）夺氢反应HO·与生物膜上的卵磷脂通过夺氢反应产生碳自由基，造成膜损伤。当HO·攻击DNA中的脱氧核糖时，能产生许多不同产物，有些具有致突变作用。（2）加成反应HO·可与DNA中的嘌呤或嘧啶的-C=C-发生加成反应，生成嘌呤或嘧啶自由基，最终引起DNA链断裂，严重损伤DNA，以致不能修复，使细胞死亡，即使活着也会发生突变（癌变）（3）电子转移HO·可与无机物或有机物发生电子转移，如：Cl+HO·→Cl·+OH-HO·在机体内产生，可立即与周围任何生物分子发生反应，生成活性各异的次级自由基，导致机体不同程度的损伤。2.超氧阴离子的毒性化学反应性质较HO·弱，具有双重性质，既可作为电子供体（还原剂），又可作为电子受体（氧化剂）。（1）还原反应还原细胞色素和血红蛋白，使三价铁离子还原成二价（2）氧化反应O2·-作为弱氧化剂，可使抗坏血酸氧化，产生半脱氢抗坏血酸自由基。也能使与NADH结合的酶形成NAD自由基O2·-能使酶失活、使红细胞溶血、杀菌、使DNA降解、破坏动物细胞等。此外，还可与细胞内的过渡性金属离子发生反应，生成更活泼的HO·3.过氧化氢分子的毒性H2O2本身毒性很低，常温下自发生成水和氧气。H2O2能迅速穿过细胞膜，在细胞内与亚铁离子或铜离子等过渡性金属离子反应生成毒性更大的HO·，这是它具有毒性的真正原因：

当H2O2与紫外线结合使用时，对细菌和病毒的杀伤能力更强。这是由于紫外线可使H2O2发生均裂而生成HO·4.脂类过氧化物的毒性生物膜具有流动性，是由于膜脂中含有多种多不饱和脂肪酸。脂肪酸的不饱和程度越大，生物膜的流动性就越大。自由基攻击膜脂，使其形成脂类过氧化物，破坏生物膜的流动性，导致细胞损伤、衰老或死亡。脂类过氧化物壳使红细胞失去变形能力，不能通过毛细血管，导致溶血，脂类过氧化物进一步和组织蛋白相结合、沉积，导致功能蛋白失活。Ⅱ.ＤＮＡ损伤及修复机制电离辐射照射生物体后，通过上述物理化学过程，直接、间接地和细胞的关键靶中的原子作用。而ＤＮＡ是放射线作用于细胞的最重要的靶。DNA分子结构DNA中文全名：脱氧核糖核酸基本单位：脱氧核苷酸组成：含氮碱基脱氧核糖磷酸有四种：嘌呤碱基：腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）嘧啶碱基：胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）因此，脱氧核苷酸也有四种含氮碱基磷酸A磷酸G磷酸C磷酸T腺嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸A：T碱基配对G：C碱基配对两条DNA反向平行碱基对之间以氢键相连外侧的磷酸与脱氧核糖以磷酸二酯键相连㈠电离辐射损伤DNA的途径直接作用:任何形式的辐射，被生物物质吸收后都有可能与关键靶DNA直接发生作用，靶本身的原子可以被电离或激发从而导致一系列生物变化，这被称为辐射的直接作用本质：射线直接造成生物大分子损伤效应间接作用：电离辐射作用于水，产生自由基，这些自由基可以扩散到足够远，达到并损伤关键靶DNA，这被称为电离辐射的间接作用本质：通过水电离㈡辐射所致DNA损伤的类型碱基损伤：单碱基加合物，碱基改变和碱基缺失DNA链损伤：单、双链断裂，二聚体自发性损伤DNA链的断裂单链断裂（singlestrandbreak，SSB):在磷酸酯和脱氧核糖体之间的磷酸二酯键水平上发生，或者更经常是在碱基和脱氧核糖体之间的键水平上发生。双链断裂（doublestrandbreak，DSB)：包括DNA两条链相隔少于3个核苷酸的部位的断裂。大部分单链断裂是由HO·自由基作用而产生断裂后两条链像拉链一样分开，水分子渗入缺口可以由单个粒子产生，或者由于两个粒子在第一个断裂有时间修复以前通过同一区域，从而在互补链中产生两个单链断裂组合而成。假如断裂发生在同一个碱基对上则为同源性断裂，反之是异源性断裂，后者往往更频繁的发生。碱基的损伤在充氧情况下的照射，碱基经常遭受到羟基化（自由基HO·）的损害而形成过氧化氢放射敏感性：胸腺嘧啶＞胞嘧啶＞腺嘌呤＞鸟嘌呤DNA的交联DNA交联分为三种形式DNA链间交联：一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合DNA链内交联：同一链上的两个碱基相互以共价键结合DNA--蛋白质交联：DNA与蛋白质以共价键结合DNA的损伤修复机制分子修复机制消除了辐射诱发的损伤，并重组DNA原先的结构，在细胞水平导致生存力的恢复。但需要注意，存活并不一定意味DNA的完全恢复，因为遗传突变或染色体畸变的诱导和生存力是可以共存的常见的修复机制包括：直接修复切除修复错配修复SOS修复重组修复直接修复直接修复：直接修复是细胞对DNA的某些损伤修复的一种简单方式，在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成。其机制包括光复活反应、单链断裂重接和嘌呤的直接插入等该酶的作用过程分为三个步骤：①酶与DNA中的二聚体部位相结合；②吸收波长为260~380nm的近紫外光将酶激活，使二聚体解聚；③酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构光复活反应是修复DNA链上的嘧啶二聚体的一种最直接方式，也是最早发现的DNA修复方式在辐射作用下，一个单链的两个相邻碱基以共价键相连，形成一个环丁烷环，阻断DNA复制DNA单链断裂中有一部分是通过简单的重接而修复的，只需要DNA连接酶参加。也属于直接修复DNA链上的嘌呤碱基受到辐射损伤时，修复此类损伤需要特异性酶，即DNA嘌呤插入酶上述几种是最直接的修复方式，对细胞非常有利。因为修复所需要的酶比较单一，而且只有一步反应，修复特异性高，较少发生错误切除修复切除修复：将损伤区域切除，然后用正确配对的完好的碱基来替代，是最普遍的方式

基本步骤：识别→切除→修补→再连接三个特点:准确、无误、正确修复发生于非复制期的DNA分子中DNA切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶IDNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖基化酶识别DNA中不正确的碱基，切断受损碱基与脱氧核糖之间的糖苷键，使受损碱基脱落AP位点:缺碱基位点外切酶：从核酸一端一个一个的水解掉核苷酸。内切酶：从核酸内部特定位点切断核酸。聚合酶：将核苷酸聚合为核酸连接酶：将磷酸核糖骨架连接起来。核苷酸切除修复碱基切除修复错配修复主要是负责DNA在复制过程发生嘌呤—嘧啶错误配对的校对工作，使复制的保真性提高102~103倍，该过程通过E.coli中的3种酶（MutS、MutH和MutL）校正该修复系统只校正新合成的DNA，因为新合成DNA链的GATC序列中的A(腺苷酸残基)开始未被甲基化GATC中A甲基化与否常用来区别新合成的链（未甲基化）和模板链（甲基化）。这一区别很重要，因为修复酶需要识别两个核苷酸残基中的哪一个是错配的，否则如果将正确的核苷酸除去就会导致突变SOS修复一旦DNA受到损伤，产生一种调控信号，解除对许多基因的抑制，使这些基因的产物投入活跃的修复活动它是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应SOS修复过程是在损伤信号诱导下发生的，又称为可诱导的DNA修复，修复过程中容易发生错误，亦称为易错修复已经在大肠杆菌中证明了其存在，但在哺乳动物细胞中SOS系统的存在没有得到证实重组修复包含两种情况：一是两条链同时受到损伤；另一种是单链损伤尚未修复发生了复制，造成对应于损伤位置的新链缺乏正确模板，此时需要重组酶系将另一段未受损伤的双链DNA移到损伤位置附近，提供正确的模板，进行重组。在DNA复制时模板链上含有损伤的碱基导致子链产生裂缺，这是在合成复制（S期）时产生的，所此修复系统也属于复制后修复通过这种机制实现了DNA复制，而且复制合成的新链上不存在损伤，而母链上原有的损伤依然存在，还需通过其它机制进行清除1.受损伤的DNA链复制时，产生子代DNA在损伤的对应部位出现缺口2.另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组交换，将母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口3.以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链DNA的缺口，最后由DNA连接酶完成修补DNA双股断裂修复DNA双股断裂对细胞是最严重也是最致命的DNA损害类型。DNA双股断裂的结果使DNA的末端直接裸露，在这种情况的发生若没有及时的处理，细胞内DNA损害反应机制就会活化，其后果之一是停止细胞的生长与分裂，或者是启动细胞凋亡，无论如何都是驱使细胞走向毁灭一途。真核生物阶段细胞发展出数套机制修复DNA双股断裂：同源性重组（Homologousbination，HR）非同源性末端接合（Non-homologousendjoining,NHEJ）同源性重组（HR）同源性重组修复是利用细胞内的染色体两两对应的特性，若其中一条染色体上的DNA发生双股断裂，则另一条染色体上对应的DNA序列即可当作修复的模板来回复断裂前的序列，因此在某些条件下，同源性重组又称作基因转换。同源性重组修复路径与细胞周期的进行有很