电离辐射生物效应

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电离辐射的作用方式
Indirect effect
• Direct
Free radical
• Indirect
ROS production
Direct effect
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• 电离辐射间接作用
电离辐射作用于水分子产生的自由基再与生物分子
发生物理、化学变化，称间接作用。
辐射→水分子 →水裂解→ 生物大分子
理解辐射诱导细胞死亡类型，修复、细胞剂量存活曲线 相关参数的含义和推算、造血器官的损伤、生物学 效应的影响因素； 了解细胞周期、细胞膜与组织器官的辐射效应 3
X射线与放射性的发现
伦琴 X射线发现者
（1845—1923）
贝克勒尔 放射性发现者
（1852—1908）
居里夫妇
镭、钋发现者
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我的发现是属于世界的—
α, β,γ射线
诺贝尔化学奖
• 维拉徳
1900.
γ射线
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电离辐射损伤效应的发现
1896年 贝克勒尔 （Becquerel ） 把装有镭的容器
遗忘在背心口袋
里，以后皮肤发 生红斑，2周后溃 烂，数周愈合。 1901年 Pierre Curie 用装有镭的试管导致 手臂放射性溃疡
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1927年 缪勒(美国) • 发现了X射线的另一种效应: 打乱果蝇的 遗传因子→出生畸形的幼蝇 • 获得了诺贝尔奖， • 创立了一门新学科——放射性保护学。
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自由基的产生
水分子在电离辐射作用下分解为*OH和*H自由基；水分子自发 性电离成OH-和H＋离子；*OH和水合电子（e-aq ）最主要。
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自由基与生物分子的作用方式
抽氢反应：自由基将有机分子中的H转移至 自身，形成有机自由基。 HO·+ RH→ R·+ H2O
H·+ RH→ R·+ H2 加成反应：自由基加入至不饱和有机分子 中双键部位的反应
膜结合酶的变化
膜蛋白 膜受体的变化
如：P450
生物膜
如：T细胞受体
DNA膜复合物变化 如DNA复制停止 膜脂质
不饱和脂肪酸发生脂质过氧化 37
辐射对染色体的效应
辐射
数量
如亚二倍体、超二倍体、多倍体、假多倍体
染色体
复制前：染色体型畸变
结构
（如染色体环、双着丝粒）
复制后：单体型畸变
（断裂、互换、多着丝粒、核小体等）
轻度 不敏感
注意：淋巴及卵原细胞
高分化细胞---高辐射敏感性
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辐射对细胞周期的影响
细胞周期各阶段的特征
细胞间期 G1 → 代谢十分活跃 S →DNA合成期 G2→合成 RNA及有丝分裂所需
的特异蛋白质
有丝分裂期（M） 细胞分裂期（前、中、后、末期）
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不同细胞周期阶段的辐射敏感性
对辐射的敏感性： M ＞ G2 ＞ S＞G1
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电子俘获反应： 水合电子被有机分子俘 获引起后者的损伤。 e-aq＋RS*SR→RSSR- → RS · RS+
e-aq →氨基酸和核酸碱基俘获→ 脱氨基、脱巯基反应和碱基损伤
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氧效应（oxygen effect）
概念 ： 受照射的组织、细胞或生物大分子的辐射效应随 介质中氧的浓度升高而增加的现象。
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电离辐射 (Ionizing Radiation，IR)
电离：物质的原子或分子从辐射吸收能量而导致电子 轨道上的一个或几个电子被逐出的现象。 电离辐射：所有能够引起物质电离的辐射总称，包括 高速带电粒子（α 粒子、β 粒子、质子等）和不带 电的中子以及X射线、γ 射线等。
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电离辐射的生物效应
与细胞的增殖分裂能力 成 正比 与细胞的 分化程度 成 反比
The radiosensitivity of a population of cells is directly proportional to their reproductive activity and inversely proportional to their degree of differentiation
第三章 电离辐射生物学效应
1
本章主要内容
第一节 电离辐射对生物大分子的作用 基本原理 电离辐射对DNA、蛋白质和酶的作用 第二节 电离辐射对细胞的作用 第三节 组织器官的辐射效应 第四节 辐射生物学效应分类和影响因素
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教学目标与要求：
掌握电离辐射 作用原理及氧效应； 对DNA、蛋白质及酶的损伤作用； 致染色体畸变； 细胞的辐射敏感性规律； 辐射生物学效应分类。
0.37
常用上述参数比较细胞的辐射敏感性和修复能力
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细胞对辐射损伤的修复
致死损伤
关键靶点发生电离导致细胞不可逆死亡
修复类型
亚致死损伤修复
部分关键点受辐射电离，够时间，细胞可修复存活 利用此机制：合理制定肿瘤放疗方案，提高疗效， 又有利于正常细胞的修复
潜在致死损伤修复
放疗后使用修复抑制剂可增强治疗效果
细胞在进行分裂前就死亡,多见于成熟细胞
机理：核结构的破坏、细胞膜损伤、能量供应障碍
• 增殖死亡(reproductive death)
细胞经过一个或几个分裂周期后死亡
机理：DNA损伤的错误修复和染色体畸变导致
• 凋亡：电离辐射（0.5-6.0Gy）可促进细胞凋亡
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细胞剂量存活曲线
• 细胞剂量存活曲线:测量受不同辐射剂量照射后， 有增殖能力的细胞在体内、外克隆或集落形成的 能力，即存活率的变化所绘制剂量－效应曲线.
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1898
法国
居里夫妇
自沥青铀中提出--- 钋 (Po) 镭 (Ra) 放射性 (radioactivity)这一名词就是居 里夫人所创
1903.12 诺贝尔物理学奖 1911 居里夫人 诺贝尔化学奖
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• 卢瑟福 (Ernest Rutherford，1871—1937) 英国 1898.
1908年
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染色体结构变化与畸变分类
稳定性畸变：
有着丝点，能进行有丝分裂，长 期存在。如：易位 、 倒位 、 插入、 缺失
长期低剂量辐照结果，对于慢性放射病的诊断具有重要意义
Байду номын сангаас
不稳定性畸变：
有丝分裂时容易丢失 。 如：双着丝粒染色体、 环状染色体、 无着丝粒体
大剂量照射后迅速出现，对于急性放射病的诊断具有重要意义
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Radiotherapy for tumor
正常细胞 肿瘤细胞
Cell cycle distribution Tumor radiotherapy • 恶性肿瘤细胞的增殖活性高 分化程度低 • 不同肿瘤的细胞分化程度有差异 – 分化程度：小细胞癌 < 鳞状细胞癌 35 – 放疗效果：小细胞癌 > 鳞状细胞癌
（环境） 自由基 自由基（次级）
特点：能量沉积和生物效应发生在不同分子
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二、自由基生成及其作用
自由基（free radical) ：独立存在，带有不成对 电子的原子团。
特性：化学不稳定性和高反应性，寿命很短
由于原子形成分子时，化学键中电子必须成对 出现，因此自由基就到处夺取其他物质的一个 电子，使自己形成稳定的物质。在化学中，这 种现象称为“氧化”。
克隆（clone): 离体培养一个存活细胞繁殖成的一个 细胞群体。
•
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剂量存活曲线
D0: 平均致死剂量，曲线直线 部分的斜率， 37%细胞存活 所需的剂量→辐射敏感性， 哺乳细胞多在1-2Gy。 Dq：准阈剂量，从活存率 100%作平行线交于剂量曲线 直线部分延长线的交点所对 应剂量值。 N：外推值，存活曲线直线部 分外推，与存活分数轴的交 点,即为外推值n. Dq、N--耐受亚死损伤能力
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Biological effect of IR
Biol. Macromolecule
Cell Tissue/organ individual
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第一节 电离辐射对生物大分子的作用 一、辐射作用于生物大分子的方式：
直接作用 辐射能量→生物大分子→电离和激发→核酸、蛋 白质等分子结构与功能破坏 间接作用 辐射能量→水→原发辐射分解产物（H·，OH·， 水合电子，H2，H2O2 ）→生物大分子→物理、 化学变化
辐射致细胞形态改变
• 核 : 肿胀、溶解、固化、碎裂 • 核膜： 肿胀、折叠、内凹、裂隙、破裂 • 细胞器：线粒体肿胀、脊减少 （能量供应↓氧化反应↑） • 细胞分裂与生长脱节: 双核、多核、巨核
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辐射对生物膜的效应
膜结构
辐射
膜结构的物理化学变化
(如：糖基化、不饱和、环裂列)
膜转运功能的变化 (如钠钾泵)
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DNA代谢改变
合成代谢↓
抑制程度与剂量依赖,且与多个环节有关
分解代谢↑
表现为脱氧核糖核酸酶(DNase酶)活性↑ (射线破 坏了溶酶体和细胞核膜结构)
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（二）辐射对RNA作用
转录过程↓ 合成↓ 碱基组成改变，链长↓、量↓、活性↓ 代谢↑、生物活性↓
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（三）辐射对蛋白质和酶的作用
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人体各组织的放射敏感性
辐射敏感性 组 织 高度 淋巴组织（淋巴和幼稚淋巴细胞）；胸腺（胸腺细 胞）；骨髓；胃肠上皮（尤其是小肠隐窝上皮）； 性腺（睾丸和卵巢的生殖细胞）；胚胎组织
中度 感觉器官（角膜、晶状体、结膜）；内皮细胞；皮 肤及附件上皮(生发、毛囊、皮脂腺细胞）；唾液 腺；肾、肝、肺组织的上皮 中枢神经系统；内分泌系统（包括性腺的内分泌细 胞）；心脏 肌肉组织；软骨和骨组织；结缔组织
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照射时间对氧效应的影响 氧效应现象的生物学意义
• 照射前引入氧，表现出氧效应 有助于研究辐射防护和增敏； • 照后充氧，在一定条件下有保护作用 有助于提高肿瘤放射治疗的效果。