第二章 电离辐射的分子生物学效应
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电离辐射的生物效应
急性放射病
剂量照射引起的全身性疾患。
定义：人体一次或短时间内分次受到大
外照射：＞1Gy
3.3 确定性效应
损伤范围广,波及机体所有组织和器官, 表现为复杂的临床症状和体症。
主要损伤器官的变化,可决定和影响病 情的发展和预后
03
在一定照射剂量范围内,机体有自动恢 复的潜力.
临床特点:
急性放射病
急性放射病
机理：P53基因 激活自我致死程序
是变异细胞免于患癌的重要机制
细胞凋亡(apoptosis)
小结
分子水平
细胞死亡
细胞变异
体细胞
生殖细胞
体细胞
生殖细胞
功能障碍
不孕
肿瘤
遗传效应
确定性效应 多细胞死亡导致
随机性效应 单一细胞变异导致
DNA损伤
细胞水平
临床症状
效应
躯体效应（somatic effects）
眼组织的放射损伤
症状与阈值
3.4.1 癌症的概念与起源 癌症(cancer):增生失控并侵入周围组织或向远隔部位转移的恶性肿瘤
致癌因子(carcinogen):能使正常细胞转变为恶性细胞最后发展为癌症的因子 化学因素 物理因素 病毒 机体遗传特性, 激素水平, 环境因素, 生活因素
3.4 随机性效应-辐射致癌
电离辐射的生物效应
3.1 生物效应产生的过程和机理 3.2 电离辐射所致生物效应的分类 3.3 确定性效应 3.4 随机性效应
由两条螺旋状排列的核苷酸链组成
基本生物学概念: DNA
硷基对 A-T；C-G 无穷的排列方式
DNA链上具有一定功能的一段核苷酸序列
01
基因突变（mutation）:
电离辐射的生物学效应-医学辐射防护学教学课件-精品文档
染色体型畸变：处于G1期或G0期的细胞受到电离 辐射作用时，因为这时染色体尚未复制，其中单根染色 丝被击断，经S期复制后，在中期分裂细胞见到的是两 条单体在同一部位显示变化，因此导致的是染色体型畸 变。按畸变在体内的转归，可以分为非稳定型畸变和稳 定型畸变两类。前者包括双着丝粒、双着色环、和无着 丝粒断片；后者包括相互易位,倒位和缺失。
电离辐射的生物学效应
电离辐射生物效应分类
早期效应(early effect)
按生物效应出现的时间 迟发效应(late effect) 躯体效应(somatic effect) 按生物效应出现的个体 遗传效应(genetic effect) 随机性效应 (stochastic effects) 确定性效应 (deterministic effect)
计算单位剂量照射引起的危险称为危险系数 (Risk coefficient)。EAR系数为单位剂量增加的例 数，用10-6人· 年-1· Sv-1表示，即每106人· 年· Sv的增 加例数。ERR系数为单位剂量的增加百分比 (%/Sv)。 ICRP-60的辐射致癌危险系数是以原爆人群 癌症死亡的EAR年增加值和ERR值为基础，通过 预测模型，向5个国家进行人群转移后得到的两性 平均值。
经过始动与促进两个阶段，正常细胞出现转 化，逐步发展为癌细胞，此期是朝恶性方向越来 越快的发展，成了独立的和侵入性的发展阶段。 电离辐射致癌的评估方法 绝对危险和相对危险 照射组癌症发生率与对照组或参与人群癌 症发生率之差，称为绝对危险(Absolute risk, AR)，也称为超额绝对危险(excess absolute risk, EAR)。 两组发生率之比，称为相对危险(Relative risk, RR),相对危险的增加数RR-1，称为超额相 对危险(ERR）。
2.电离辐射的生物学作用 3.生物靶的调节作用 4.影响电离辐射作用的主要因素
§3. 生物靶的调节作用
一. 稀释效应 实验表明,用固定量电离辐射照射某种溶 液产生的自由基数量恒定,与溶液浓度无关。
辐射直接作用
失 活 分 子 数 含 量 失 活 分 子 数
辐射间接作用
浓度
浓度
§3. 生物靶的调节作用
一. 稀释效应 实验表明,用固定量电离辐射照射某种溶 液产生的自由基数量恒定,与溶液浓度无关。
§3. 生物靶的调节作用
三. 防护效应
防护效应的解释基于间接作用中对自由 基的竞争.水中的自由基非常活泼，且不 具专一性，故当溶液中存在2种以上分子 溶质时，都可以与自由基发生反应，即加 入物质与原溶质争夺有限的自由基，使原 溶质受自由基损害的机会减少。
§3. 生物靶的调节作用
四. 温度效应
溶液系统或机体受照射时，降低温度或使 之处于冰冻状态可使辐射损伤减轻，这种效 应称为温度效应.温度效应的解释基于低温
中度敏感组织：感觉器官、内皮细胞、皮肤上 皮、唾液腺和肾、肝、肺的上皮细胞
轻度敏感组织:中枢神经系统、内分泌腺、心脏 不敏感组织：肌肉组织、软骨、骨组织和结缔 组织等
§4. 影响电离辐射 作用的主要因素
5. 亚细胞和分子水平的放射敏感性 同一细胞不同亚细胞结构的辐射敏 感性有很大差异。细胞核的放射敏 感性显著高于胞浆。细胞内各不同 “靶”分子相对辐射敏感性顺序如 下： DNA > mRNA > rRNA > 蛋白质
生物阶段
造血障碍性死亡
晚期肾损伤肺纤维样变性
癌症和遗传变化
§2. 电离辐射的生物学作用
二.电离辐射的间接作用 1. 自由基的产生 自由基是带有一个或多个不配对电子的分 子或原子团，具有极强的活性。当辐射作 用于人体时，由于组织中含大量水分，激 发或电离的水分子经迅速的分子重组，产 生大量活泼的自由基，主要有 OH、H 和 水合电子e-q，它们能扩散一定距离，有效 的与生物分子反应。
电离辐射生物学效应
电离辐射⽣物学效应电离辐射⽣物学效应电离辐射的⽣物效应主要是DNA的损伤所致，DNA是关键靶。
直接作⽤：电离辐射的能量直接沉积到⽣物⼤分⼦上，引起⽣物⼤分⼦的电离和激发，从⽽引起⽣物效应。
⽣物效应和辐射能量沉积发⽣在同⼀分⼦上。
间接作⽤：电离辐射⾸先作⽤于⽔，使⽔分⼦产⽣⼀系列原初辐射分解产物（·OH，H·，e-⽔合，H2O2），然后通过⽔的原初辐射分解产物再作⽤于⽣物⼤分⼦，引起后者的物理和化学变化。
⽣物效应和辐射能量的沉积发⽣在不同分⼦。
表N 电离辐射⽣物学作⽤的时间效应时间/s发⽣过程物理阶段10-18快速粒⼦通过原⼦10-17~10-16电离作⽤H2O~→H2O++e-10-15电⼦激发H2O~→H2O*10-14离⼦-分⼦反应，如H2O++H2O~→·OH +H3O+10-14分⼦振动导致激发态解离：H2O*→H·+·OH10-12转动弛豫，离⼦⽔合作⽤e-→e-⽔合化学阶段<10-12e-在⽔合作⽤前与⾼浓度的活性溶质反应10-10·OH，H·和e-⽔合及其他⾃由基与活性溶质反应（浓度约1mmol/L）<10-7刺团1）（spur）内⾃由基相互作⽤10-7⾃由基扩散和均匀分布10-3·OH，H·和e-⽔合与低浓度活性溶质反应（约10-7mmol/L）1⾃由基反应⼤部分完成1~103⽣物化学过程⽣物学阶段数⼩时原核和真核细胞分裂受抑制数天中枢神经系统和胃肠道损伤显现约1个⽉造⾎障碍性死亡数⽉晚期肾损伤、肺纤维样变形若⼲年癌症和遗传变化1）刺团：指⾃由基发⽣反应的⼩体积电离作⽤：⽣物组织的分⼦被粒⼦或光⼦流撞击时，其轨道电⼦被击出，产⽣⾃由电⼦和带正电的离⼦，即形成离⼦对，这⼀过程称为电离作⽤。
激发作⽤：当电离辐射与组织分⼦相互作⽤，其能量不⾜以将分⼦的轨道电⼦击出，可使电⼦跃迁到较⾼能级的轨道上，是分⼦处于激发态，这⼀过程称为激发作⽤。
电离辐射的生物学效应名词解释
电离辐射的生物学效应名词解释导言：电离辐射是高能粒子或电磁波在物质中相互作用时产生的一种辐射形式。
电离辐射具有较高的能量，可以从原子或分子中剥离电子，导致生物体内部的化学键的破坏和细胞变异。
本文将对电离辐射的生物学效应进行深入解释。
一、电离辐射概述电离辐射是一种高能粒子和电磁波，它可以穿透生物体并与细胞内的分子发生相互作用。
这种相互作用导致原子中的电子被剥离，形成离子。
电离辐射主要分为两种类型：离子辐射和非离子辐射。
二、离子辐射的生物学效应离子辐射是一种高能量粒子，如阿尔法粒子、贝塔粒子和中子，能够与生物体内的分子碰撞，并将能量传递给它们。
这些碰撞会导致分子内的化学键断裂，破坏DNA和其他细胞组分的结构。
1. DNA损伤DNA是细胞中的遗传物质，离子辐射会导致DNA的单链和双链断裂，从而影响DNA的复制和修复能力。
这些损伤可能会导致细胞死亡或癌变，增加遗传性疾病和肿瘤的风险。
2. 细胞死亡离子辐射具有高能量，当离子辐射穿透细胞并与细胞内的分子相互作用时，可以引起细胞死亡。
细胞死亡会导致组织损伤，影响生物体的正常功能。
3. 基因突变离子辐射会导致DNA序列的改变，进而引起基因突变。
这些突变可能会导致细胞功能异常，增加患某些遗传疾病的概率。
三、非离子辐射的生物学效应非离子辐射是一种电磁波，如X射线、紫外线和无线电波。
与离子辐射不同，非离子辐射没有足够的能量将电子从原子中剥离，但仍然能够对生物体产生生物学效应。
1. 紫外线引起的皮肤损伤紫外线辐射能够穿透人体皮肤，导致DNA损伤和皮肤细胞的突变。
长期暴露在紫外线下会增加患皮肤癌和衰老的风险。
2. X射线引起的癌症X射线是高能量电磁波，用于医学诊断和治疗。
然而，过量的X射线照射可能会引起DNA损伤，增加患白血病和其他癌症的概率。
3. 无线电波的潜在影响无线电波是一种常见的非离子辐射，如手机信号和无线网络。
尽管目前没有明确的证据证明无线电波单独会导致严重的生物学效应，但一些研究表明长期暴露在高强度无线电波下可能对生殖系统和大脑功能产生一定影响。
电离辐射的生物学效应
0.51～1.00
少数人（约5%）出现轻度症状： 淋巴细胞、白细胞、血小板可降低
头晕、乏力、不思食、失眠、口
到照前的25%～50%，半年内可
渴等
能恢复到正常水平。
1.01～1.50
一部分人（约5～50%）出现恶心， 少数人可能出现呕吐
淋巴细胞和血小板可降低50%以上， 白细胞可降低至50%，可能恢复 到正常值。
②这一
癌症总计 值仅用于 一般公众 。用于工 作人员人 群的致死 性癌症总 危险取 4.00×102Sv-1。
电离辐射引起的法定职业病
职业性放射性疾病是指劳动者在职业活动中所患 的放射性疾病。放射工作人员所受到的职业照射 剂量达到或超过一定的水平时，则可能引起局部 或是全身放射性疾病。
分为11类：
生。 不同的受照对象，不同的器官组织其剂量阈值不同，
一般从十分之几戈瑞至几戈瑞。
确定性效应剂量效应曲线特征
频率
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4 剂量
25 20 15 10 5 0
1
2
3
4
剂量
（a） （b） （c）
病理情况阈值
5
严重程度
随机性效应
指发生的几率与剂量大小有关的效应。 特点：效应严重程度与剂量大小无关，没有阈值。 从辐射防护的角度来看，任何大小的电离辐射对
受照剂量（Gy）
临床症状
＜0.10
无明显变化
0.10～0.25 无明显变化
血液学变化
— 淋巴细胞数略降后升高，逐渐恢复，
白细胞数变化不明显。
0.26～0.50
个别人（约2%）出现轻微症状：头 晕、乏力、食欲下降、睡眠障碍 等
电离辐射的分子生物学效应
.OH从脱氧戊糖中抽氢，主要作用于 C(3’，5’），C（3’)上磷酸二酯键断裂 多余C（5’）端。
.OH攻击糖基C(1’、2’、4’)形成碱 不稳定性位点（alkali labile sites, ALS），这些位点在碱处理后发生链 断裂。
碱不稳定性位点（ ALS）
.OH对C（1’）， C（2 ’）， C （3’）， C（4’）攻击后的产物，在与 六氢吡啶供热后都能导致DNA链的断裂。 所以，在DNA链上含有损失后经碱处理后 导致DNA链断裂的位点，这些位点称为碱 不稳定性位点（ ALS）
结构中一条链断裂
双链断裂（double strand break，DSB)：DNA双螺
旋结构中两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂
单链断裂 双链断裂
1.DNA链断裂的分子机制
（1）脱氧戊糖和磷酸二酯键的破坏 （直接）
三种自由基：eaq-，.OH，H. DNA链断裂主要与.OH作用有关，从脱氧戊 糖抽氢，形成了5中不同的反应产物。
2、链内交联：DNA分子同一条链上的两个碱基相 互以共价键结合
3、DNA－蛋白质交联（DNA-protein crosslinking ，DPC）：DNA与蛋白质以共价键结合
1.DNA-Protein cross-linking（DPC)
1．DPC存在的证据
小牛胸腺脱氧核糖核蛋白(DNP)在UV或γ射线 照射后，其中DNA的不能被提取的部分随着照射剂 量的增加而增多，但如果用胰蛋白酶处理，则观察 到这部分DNA 。这是因为UV和γ射线照射导致了 DNA与核蛋白的交联，影响了DNP中DNA的提出，胰 蛋白酶能够裂解DNA与蛋白质之间的共价键，消化 DNP中的蛋白质部分．所以全部DNA都能被提取出来。
第二章 电离辐射的生物学效应及放射防护PPT课件
2．随机性效应(stochastic effect)：指效应的发生率（不是 严重程度）与照射剂量的大小有关，这种效应在个别细 胞损伤（主要是突变）时即可出现。不存在阈剂量。遗 传效应和辐射诱发癌变等属于随机性效应（图2-3）。
9
10
11
二、影响辐射生物学效应的因素
（一）与辐射有关的因素
1．辐射类型 高电离密度的电离辐射，电离密度大， 射程小，如、射线，在组织内能量分布密集，内照射时 生物学效应相对较强。而γ（X）射线是低电离密度的电 离辐射，电离密度小，射程大，因此外照射时生物学效 应强。
20
二、放射卫生防护的基本原则
为了实现放射防护的目的，ICRP提出放射卫生防护的基 本原则。（International Commission on Radiological Protection，国际辐射防护委员会）
1．放射实践的正当化（justification of radiological practice） 2．放射防护的最优化（optimization of radiological
时内死亡。
15
2．缓发效应 在照射后的几年乃至二、三十年内出现， ①小剂量外照射 ②慢性内照射
16
四、低剂量辐射的兴奋效应
低剂量辐射对生物体的影响尚有不少争议。但有一点可 以肯定：低剂量辐射既可使人体出现防御和免疫功能增 强等有益的生物学反应，也可以出现染色体畸变、癌变 发生率增加等不利的反应，说明低剂量辐射的效果可能 是由其所引起的不同的生物学反应之间的竞争决定的。
14
三、剂量与效应的关系
（一）早期效应和缓发效应 1．早期效应 人体受辐照剂量当量： <1Sv，看不到明显症状 <5Sv，出现以造血系统损伤为主的放射病 >8Sv，出现以消化道损伤为主的胃肠急性放射病，症状
9
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二、影响辐射生物学效应的因素
（一）与辐射有关的因素
1．辐射类型 高电离密度的电离辐射，电离密度大， 射程小，如、射线，在组织内能量分布密集，内照射时 生物学效应相对较强。而γ（X）射线是低电离密度的电 离辐射，电离密度小，射程大，因此外照射时生物学效 应强。
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二、放射卫生防护的基本原则
为了实现放射防护的目的，ICRP提出放射卫生防护的基 本原则。（International Commission on Radiological Protection，国际辐射防护委员会）
1．放射实践的正当化（justification of radiological practice） 2．放射防护的最优化（optimization of radiological
时内死亡。
15
2．缓发效应 在照射后的几年乃至二、三十年内出现， ①小剂量外照射 ②慢性内照射
16
四、低剂量辐射的兴奋效应
低剂量辐射对生物体的影响尚有不少争议。但有一点可 以肯定：低剂量辐射既可使人体出现防御和免疫功能增 强等有益的生物学反应，也可以出现染色体畸变、癌变 发生率增加等不利的反应，说明低剂量辐射的效果可能 是由其所引起的不同的生物学反应之间的竞争决定的。
14
三、剂量与效应的关系
（一）早期效应和缓发效应 1．早期效应 人体受辐照剂量当量： <1Sv，看不到明显症状 <5Sv，出现以造血系统损伤为主的放射病 >8Sv，出现以消化道损伤为主的胃肠急性放射病，症状
电离辐射的生物学效应(二)
电离辐射的生物学效应（二）引言概述：电离辐射是指具有足够能量的辐射粒子，例如X射线、γ射线和质子，能够从原子或分子中剥离电子的过程。
在人类暴露于电离辐射下，生物体受到直接和间接的生物学效应。
本文将重点讨论电离辐射的生物学效应，并从五个方面展开讨论。
正文：1. 细胞损伤a. 电离辐射能与DNA分子直接作用，导致DNA链断裂和碱基损伤。
b. DNA损伤可能导致细胞凋亡或突变，进而影响细胞功能。
c. 辐射还可导致蛋白质、脂质和其他细胞组分的分解或损伤。
2. 遗传效应a. DNA损伤可能传递给后代，导致基因突变或染色体畸变。
b. 高剂量电离辐射的暴露可导致不稳定细胞遗传物质，进而引发遗传疾病。
c. 遗传效应可能以不可逆或可逆的方式表现。
3. 放射病a. 高剂量电离辐射暴露可引发急性放射病，表现为恶心、呕吐、衰竭和骨髓功能抑制等。
b. 慢性低剂量电离辐射暴露可能导致放射性癌症和非癌疾病的发展。
c. 放射病的预防和治疗措施需要综合考虑剂量、时机和个体敏感性等因素。
4. 辐射影响身体组织和器官a. 骨髓是辐射最敏感的组织之一，辐射可引起骨髓功能抑制和造血系统损伤。
b. 神经系统受到辐射影响，可导致认知和行为方面的变化。
c. 非目标器官，如肺、肾脏和肝脏等，也可能受到电离辐射的损伤。
5. 防护和减轻电离辐射的生物学效应a. 遵守辐射安全操作规程，包括正确使用辐射防护设备和随身携带个人剂量计。
b. 发展和采用新的辐射防护技术和方法，如屏蔽器材和防护服。
c. 加强宣传和教育，提高公众和从业人员对电离辐射生物学效应的认识和防护意识。
总结：综上所述，电离辐射的生物学效应包括细胞损伤、遗传效应、放射病、对身体组织和器官的影响等。
减轻这些效应的关键在于做好辐射防护工作，加强宣传教育，并持续研究和发展新的防护技术和方法。
以此保护人类和生物多样性的健康。
电离辐射的生物学效应
2
躯体效应和遗传效应
体细胞
机体的
构成
生殖细胞
细胞
现按 的效 部应 位出
遗传效应
(genetic effect)
躯体效应指出现在受 照射体本身的效应，由 体细胞损伤引起的
遗传效应是生殖细胞 的损伤引起的、影响到 受照者后代的效应。
躯体效应
（somatic effect） 分为
全身效应(total body effect) 局部效应(local effect)
三、电离辐射诱发细胞染色体畸变 生物特有的基因型是由其染色图上的基因数目、类型及其 排列方式来决定的。 电离辐射可使基因的化学结构或基因之间的排列上发生 变化，称为基因突变。 基因突变可分为染色体畸变和点突变，其中染色体畸变是 致癌效应和遗传效应的基础。
每个物种都有其特定的染色体数目和形态特征，各种中生 物经过世代相传，其染色体的形态和数目始终保持相对稳定。
细胞坏死 病理性变化或剧烈损伤 大片组织或成群细胞
破损
呈絮状 肿胀、内质网崩解
肿胀变大 无，细胞自溶，残余碎片被巨噬
细胞吞噬 随机降解，电泳图谱呈涂抹状
无 被动进行 有，释放内容物。
二、细胞存活曲线及其参数
测量细胞体存活率的方法：
测量体内原位细胞存活比较困难，借助体外培养技术，可 使具有无限增殖能力的单个细胞繁殖成集落（克隆）。在培养 基上接种一定数目的细胞经一定剂量照射后，可以通过计数形 成的集落数来计量存活下来的细胞。
1
早期效应和迟发效应
一些组织细胞 自我更新率较缓慢
某些具有分裂功能 的组织细胞群死亡
有些类型损伤 的潜伏期较长
导致迟发 效应产生 的原因
细胞之间信号传 导途径功能失调
电离辐射的分子生物学效应
ACGTGCGT
20H
5’
3’
RNA
5′PAPCPGPUOH ′ 5′ACGUAUGU 3′
ACGUAUGU
第一节
辐射所致DNA损伤及其 生物学意义
2021/4/25
2021/4/25
2021/4/25
DNA的结构
➢DNA的一级结构
• 脱氧核糖核酸的排列顺序 –可以用碱基排列顺序表示
• 基因（gene）
编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必 需的全部核酸序列（DNA序列）
一段有功能的DNA片段，生物细胞中 DNA分子的最小功能单位（交换单位）。
一个基因不仅包括编码蛋白质肽链或 RNA的核酸序列，还包括保证转录所需的调 控序列，，位于编码上游5‘端的非编码序 列、内含子和位于编码下游3’端的非编码 序列。
damage)
• 1、充氧溶液中碱基损伤
• 嘧啶碱：羟自由基攻击5、6位 • 腺嘌呤：羟自由基攻击8位 • 鸟嘌呤：羟自由基攻击4、5、8位
• 2、细胞中碱基损伤
• 进展不大，用电子自旋共振仪
2021/4/25
腺嘌呤 Adenine NH 2
N N
8
N H
N
A
鸟嘌呤guanine
O
N5
NH
8
N H
• 核糖核酸 （Ribonucleic acid，RNA）
2021/4/25
➢DNA的分布：
DNA
98％核中（染色体中）
真核
线粒体（mDNA）
核外
叶绿体（ctDNA）
拟核
原核
核外：质粒（plasmid）
病毒：DNA病毒
2021/4/25
➢RNA主要存在于细胞质中
20H
5’
3’
RNA
5′PAPCPGPUOH ′ 5′ACGUAUGU 3′
ACGUAUGU
第一节
辐射所致DNA损伤及其 生物学意义
2021/4/25
2021/4/25
2021/4/25
DNA的结构
➢DNA的一级结构
• 脱氧核糖核酸的排列顺序 –可以用碱基排列顺序表示
• 基因（gene）
编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必 需的全部核酸序列（DNA序列）
一段有功能的DNA片段，生物细胞中 DNA分子的最小功能单位（交换单位）。
一个基因不仅包括编码蛋白质肽链或 RNA的核酸序列，还包括保证转录所需的调 控序列，，位于编码上游5‘端的非编码序 列、内含子和位于编码下游3’端的非编码 序列。
damage)
• 1、充氧溶液中碱基损伤
• 嘧啶碱：羟自由基攻击5、6位 • 腺嘌呤：羟自由基攻击8位 • 鸟嘌呤：羟自由基攻击4、5、8位
• 2、细胞中碱基损伤
• 进展不大，用电子自旋共振仪
2021/4/25
腺嘌呤 Adenine NH 2
N N
8
N H
N
A
鸟嘌呤guanine
O
N5
NH
8
N H
• 核糖核酸 （Ribonucleic acid，RNA）
2021/4/25
➢DNA的分布：
DNA
98％核中（染色体中）
真核
线粒体（mDNA）
核外
叶绿体（ctDNA）
拟核
原核
核外：质粒（plasmid）
病毒：DNA病毒
2021/4/25
➢RNA主要存在于细胞质中
电离辐射在分子水平的生物效应
电离辐射在分子水平的生物效应电离辐射是指能够将原子或分子中的一个或多个电子从原子或分子中移出的辐射。
它可以是电磁辐射，如X射线和γ射线，也可以是带电粒子辐射，如α粒子和β粒子。
电离辐射在分子水平上对生物体产生广泛的生物效应。
电离辐射能够直接作用于DNA分子，导致DNA分子中的碱基损伤和链断裂。
DNA是生物体中的遗传物质，是细胞内各种生物活动的基础。
DNA的损伤和断裂会导致基因突变和染色体畸变，进而影响细胞的正常功能和遗传信息的传递。
此外，电离辐射还可以引起DNA 分子的交联和交联修复，从而影响DNA的复制和转录过程。
电离辐射还可以引起细胞内的氧化应激反应。
电离辐射能够产生一系列自由基和活性氧化物，如超氧阴离子（O2^-）、羟基自由基（·OH）和过氧化氢（H2O2），这些活性物质对细胞内的脂质、蛋白质和核酸等分子产生氧化损伤。
氧化损伤会导致细胞膜的破坏、蛋白质的失活和DNA的氧化修饰，进而引发一系列细胞损伤和炎症反应。
电离辐射还可以诱发细胞的凋亡和坏死。
细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，它在维持组织和器官正常发育和功能的过程中起着重要作用。
电离辐射能够通过影响细胞内的信号传导途径和基因表达调控，诱导细胞凋亡的发生。
细胞坏死则是一种非程序性的细胞死亡方式，它通常是由于细胞受到严重的损伤而无法修复所致。
电离辐射能够直接引起细胞的坏死，导致细胞膜的破裂和细胞内容物的泄漏。
电离辐射还可以影响细胞的增殖和分化过程。
细胞增殖是指细胞的数量增加，细胞分化是指细胞从一种特定类型转变为另一种特定类型。
电离辐射能够通过干扰细胞周期的调控和影响细胞分化相关的信号通路，影响细胞的增殖和分化能力。
这对于生物体的正常发育和组织修复有着重要的影响。
总结起来，电离辐射在分子水平上对生物体产生广泛的生物效应。
它可以直接作用于DNA分子，导致DNA的损伤和断裂；它可以引起细胞内的氧化应激反应，导致细胞内分子的氧化损伤；它可以诱发细胞的凋亡和坏死，影响细胞的存活和功能；它还可以影响细胞的增殖和分化过程，影响生物体的发育和修复能力。
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3）嘌呤的直接插入
• • 嘌呤插入酶 受损嘌呤→APS →插入嘌呤（糖苷键）
K+ 糖基化酶 嘌呤插入酶
• 2、切除修复
• 将损伤的部位（或连同其附近的一定 部位）切除，然后用正确配对的、完好 的碱基替代修复。有多种酶和基因参与 • 过程：识别（损伤位点）→切除→修复 （补）→连接
酶和蛋白质 DNA聚合酶 DNA连接酶
一、不同类型DNA损伤的修复
• 1、DNA单链断裂的修复 • 绝大多数正常细胞都能修复单链 断裂 • DNA修复与时间呈指数关系，修 复速率依赖于温度 • 与SLDR有关
CHO细胞DNA单链断裂重接修复曲线
• 2、DNA双链断裂的修复 • 断裂后即刻，细胞内酶修复系 统启Байду номын сангаас。修复速率的快慢与水平的 高低直接决定损伤的残留以及细胞 的转归。（部分修复：早期修复快，
照射剂量， （J/m2 ） 修复时间 （h） 探测片段 ESS清除率 （％）
5 10 20 20 20
24 8 8 26 8
总DNA DHFR基因 DHFR基因 DHFR基因 5’上游顺序
16 58 47 72 10
*ESS代表酶敏感位点，实际上间接反映嘧啶二聚体的存在
二氢叶酸还原酶（DHFR）的基因代表活性基因
1、辐射对蛋白质结构和功能的影响
一级结构主要是肽键断裂，其次巯基氧化、 二硫键还原、旁侧羟基被氧化等。 高级结构主要是肽键氢键、侧链氢键、 离子键和疏水键的改变。 一级结构的改变必然影响高级结构，导 致蛋白质的功能改变，酶活性改变。
二、辐射对蛋白质和酶生物合成的影响
• DNA→→→mRNA→→→Protein
增多
相似
阻止
相似
释放出新的RNA链和 RNA聚合酶
减少
相似
二、辐射对几种主要RNA的影响
• 1、不均一核RNA（hnRNA)和mRNA • hnRNA：分子大小不均一 • 90％核内代谢 • 10％转变为mRNA • 辐射效应对基因组中等重复和单一顺序区 最为明显 单一顺序区含大部分蛋白质基因 • 中等重复顺序区含组蛋白、tRNA和rRNA基 因 • hnRNA及其产物mRNA碱基顺序改变后果严重
5’端上游顺序代表无转录活性片段。
四、DNA修复基因
• 1、原核细胞的修复基因占基因组总 量1％。 • 2、酵母有三组RAD基因（radiation sensitive 的前三个字母） • 3、人类基因：1）XRCC （X-ray repair cross complementing）基 因；2）ERCC
辐射对RNA生物合成的总趋势：
RNA合成抑制程度<DNA合成抑制 程度 不同的RNA合成敏感性不同，核 内RNA敏感性>胞浆内RNA
一、辐射对总RNA生物合成的影响
• RNA合成过程 RNA聚合物＋ DNA特异部位 导入RNA链上 第一个核甘酸 链延伸 体外照射 增多 细胞照射 整体照射 核内>胞浆 减弱
绿猴细胞经损伤因子处理后αDNA与主 体DNA修复合成的比值
损伤因子 UV254 NA-AAF AMT 异补骨脂内酯 αDNA/主体DNA 0.84 0.59 0.27 0.29
NA-AAF:N-乙氧基－2－乙酰氨基芴 AMT：4’－氨基甲基三甲呋苯吡喃酮
• 2、活性基因中的修复
CHO细胞基因组中不同部位的DNA切除修复
随后修复的慢）
•
与PLDR有关
X线(20 Gy)照射后三株细胞的DNA双链断裂修复 ○人成纤维细胞，▲CHO,●人肾癌细胞TO25
• 3、碱基损伤的修复
• • 种类多，分析较困难 以嘧啶二聚体为模型，能修复但 只能部分修复。
DNA修复合成
• DNA期外合成或程序外DNA合成 （unscheduled DNA synthesis,UDS）： DNA合成适于损伤后即刻，随时间延 长而增加，但与细胞周期没有关系， 是一种修复合成。
二、DNA的损伤修复机制
• 1、回复修复
• 细胞对DNA的某些损伤可以用很简单的 方式加以修复在单一基因产物的催化下， 一步反应就可以完成。这种修复方式叫回 复。
1）酶学光复活
• • 光复活酶或DNA光解酶 它的作用分成三个步骤：①酶与DNA 中的二聚体部位相结合；②吸收波长为 260～380 nm的近紫外光，酶被激活，使 二聚体解聚；③酶从DNA链上释放，DNA 恢复正常结构。
胰 岛 素 的 三 级 结 构
溶 菌 酶 结分 构子 的 三 级
四级结构（quaternary structure）
四级结构是指在亚基和亚基之间通过疏 水作用等次级键结合成为有序排列的特定的 空间结构。 亚基通常由一条多肽链组成，有时含两 条以上的多肽链，单独存在时一般没有生物 活性。
血红蛋白的四级结构
第二章
电离辐射的分子生物学效应
第四节
DNA辐射损伤的修复及其 遗传学控制
• 亚致死损伤修复（sublethal damage repair,SLDR）：将预定的照射剂量分 次给予，生物效应明显减轻，表明在 两次照射间隔中细胞有所修复，这种 修复称作SLDR • 潜在致死性损伤修复（potentially lethal damage repair, PLDR)：照射后改变细 胞所处的状态和环境，如延长接种或 给予不良的营养和环境条件，均能提 高存活率。
胰岛素的一级结构及不同动物胰岛素在A链中的差异
蛋白质二级结构（secondary structure）
多肽链借助于氢键沿一维方向排列成 具有周期性结构的构象，是多肽链局部的 空间结构（构象），主要有α－螺旋、β －折叠、β－转角等几种形式，它们是构 成蛋白质高级结构的基本要素。
RNase的某些二级结构
1)碱基切除：
• 特点是切除受损伤的碱基。主要过 程是水解受损伤的碱基与脱氧核糖磷酸 链之间的N—糖苷键。反应由一类糖基化 酶催化。 • 也即：糖基化酶→APS→内、外切酶去除 残基。 • 整个修复过程可分以下几步。
2）核甘酸切成（一段寡核苷酸）
• • • • • 首先由一个酶系统识别损伤； 然后在损伤两侧各水解一个磷酸二酯键； 释放出一段寡核苷酸； 填补缺损区 连接酶重新完成连接。
•
修 复
SOS
• 4、错配修复
• 错配修复是生物维持生命、保持物种稳定的— 种重要功能。从细菌、酵母直至哺乳动物都普 遍具有此修复机理。 • 在修复、重组的过程中或外界损伤因子的作用 下都有可能发生错配。在修复过程中首先要识 别错配碱基对。 • 然后需要分辨错配的哪一侧属于母链，哪一侧 属于新合成的错误链。最后修复。 • 错配纠正过程是很复杂的，至少需要10种活性 因子参加。
第五节
• • • • •
辐射所致RNA结构与功 能的变化
RNA的种类 1、核糖体RNA (ribosomal RNA，rRNA) 2、信使RNA （messenger RNA, mRNA) 3、转运RNA (transfer RNA, tRNA) *真核细胞转录产物，一类分子大小不均一 的核RNA－不均一核RNA(hn-RNA)
5’ 3’ 5’ 3’
3’ 5’ 3’ 5’
5’ 3’ 5’ 3’
3’ 5’ 3’
5’
损 伤 后 重 组 修 复
DNA
5’
3’
3’ 5’ 3’
5’
3’ 5’
• 2）SOS修复
细胞DNA受到损伤或复制系统受 到抑制，产生一种调控信号，解除 对许多基因的抑制，这些基因的产 物参与修复过程。 • SOS修复过程是在损伤信号诱导 下发生的，又称可诱导的DNA修复 • 修复过程容易发生错误，故又 称易错修复
• 3、损伤的“耐受”
• DNA分子的损伤有时不能立即修复。 特别是在复制已经开始，而损伤又在复 制叉附近时，细胞会通过另一些机制， 使复制能进行下去，待复制完成后，再 通过某种机制修复残留的损伤。复制时 损伤并未消除，故称“耐受”
复
• 包括重组修复（复制后修复）、SOS修
1）、重组修复
• 当DNA双链发生严重损伤时需要另一种机 理来完成正确的修复。一种情况是两条 链同时受到损伤；另一种情况是单链损 伤尚未修复时发生了复制，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。这便是重组修复。
2）DNA单链断裂重接
• DNA单链断裂中有一部分是通过简单 的重接而修复的，只需要一种酶——DNA 连接酶(ligase)参加，因此也属于直接 回复。 • DNA连接酶能催化DNA双螺旋结构中 一条链缺口处的5’磷酸根与相邻的一个3’ 羟基形成磷酸二酯健。连接所需的能量 ATP(如动物细胞)。
E．coli的核苷酸切除修复机理。
• 在E．coli中，UvrA，UvrB，UvrC三种蛋白是必 需的。而且必须同时存在才能发挥作用，所以 也叫UvrABC切除核酸酶。UvrA是一种腺苷三磷 酸酶，是损伤识别蛋白。它与UvrB 结合成A2B1 复合物，结合在损伤区，使DNA解旋、扭曲，并 引起UvrB构象改变，与损伤部位形成紧密的结 合。然后UvrA与UvrB—DNA复合物解离，后者成 为UvrC特异结合靶。 UvrB 在损伤的3’侧作一 内切，随而复合物构象改变， UvrC 得以在5’ 侧作第二个切口。解旋酶 Ⅱ(UvrD)使寡聚核苷 酸片段及UvrC从DNA链上释放，然后DNA聚合酶 Ⅰ取代UvrB。修补缺损区；最后由连接酶连接 补片。
• 原癌基因的激活：原癌基因转变为 细胞癌基因的过程。 • 原癌基因的激活方式：①插入激活； ②点突变（piont mutation)；③基 因扩增；④染色体易位；⑤两种以 上癌基因联合作用
• 2、tRNA • tRNA前体由RNA聚合酶Ⅲ合成 • 聚合酶对射线敏感 • tRNA对射线不敏感 • 3、rRNA • 沉降系数越大对射线约敏感